Linux文件系统

文件与目录类型

常见的文件类型

1. 普通文件：最为常见的文件类型，包括纯文本文件(ASCII)，二进制文件(binary)，数据文件(data)等
2. 目录：即文件夹，用于包含更多目录和文件
3. 块设备文件：将硬盘、光盘等存储设备以文件形式供用户操作
4. 字符设备文件：将串行端口的接口设备，如键盘、鼠标等以文件形式供用户操作
5. 套接字文件：又称为数据接口文件，用于网络数据连接
6. 管道文件：用于进程间的通讯
7. 链接文件：分为硬链接和软链接，用于通过快捷方式或引用快速访问另一个文件或目录

Linux目录

指令集

• /bin   Binaries的缩写，存放普通用户可使用的系统命令,如:ls
• /sbin Super user Binary的缩写，存放只有系统管理员才能使用的系统命令，如:shutdown、reboot
• /usr/bin 存放安装软件后，普通用户可以使用的软件命令，如:c++、make、wget等
• /usr/sbin 存放系统管理员用户安装使用的高级管理程序和系统服务程序，如:httpd、netconfig、tcpd等

系统文件

• /etc Etcetera(其他)的缩写，这个目录用来存放所有系统管理所需要的配置文件和子目录
• /var 存放一些经常被修改、扩充的文件，如各种日志文件
• /boot 存放引导启动Linux时使用的核心文件,如镜像文件等
• /sys  Linux2.6内核新增的文件系统sysfs，sysfs文件系统集成了3种文件系统的信息：针对进程信息的proc文件系统、针对设备的devfs文件系统以及针对伪终端的devpts文件系统
• /lib 存放系统所需要的动态链接库(如C++库)，相当于windows的dll文件
• /dev Device的缩写, 将Linux主机的硬件以文件形式存储并提供访问，相当于Windows的设备管理器
• /usr/src 内核源代码、说明文档等默认放置目录
• /opt 默认为空，常用于安装额外软件
• /proc Processes(进程)的缩写，虚拟的目录，用于管理内存空间，是系统内存的映射，我们可以直接访问这个目录来获取系统信息。这个目录的内容不在硬盘上而是在内存里
• /selinux 全称为security-enhanced linux，该目录是 Redhat/CentOS 所特有的目录，是Redhat/CentOS的安全子系统
• /srv service缩写，存放一些服务启动后需要提取的数据

用户

• /root 系统管理员的账号主目录
• /home 存放普通用户的相关文件，Linux会在home目录下为每一个用户生成一个以用户账号命名的目录
• /usr Unix Software Resource(共享资源)的缩写,放置用户的应用程序和文件，类似于windows下的program files目录
• /usr/local 软件安装目录，一般通过源码编译安装方式安装的软件都会存放于该目录下
• /usr/include 放置如c/c++等程序语言的头文件(header)与包含档(include)
• /usr/lib 放置各应用软件的函式库、目标文件等，如果使用的是X86_64的Linux系统，则可能会生成/usr/lib64文件夹

外部文件

• /media 挂载U盘、光驱等设备的目录，类似于windows的其他设备
• /mnt 让用户挂载其他的文件系统，如将Windows上的某个目录挂载在/mnt下，可用于共享文件等

临时文件

• /lost+found 一般情况下为空目录，用于存放系统非法关机或者发生意外错误后，fsck(磁盘修复)过程修复的部分文件
• /tmp 用于存放临时文件
• /run 一个临时文件系统，存放存储系统启动以来的信息。当系统重启时，这个目录下的文件应该被删掉或清除。

文件系统

简介

与Windows不同，Linux在路径中不使用驱动器盘符。Windows将物理磁盘驱动器分为盘符(如C盘、D盘)，每个盘都会有自己的目录结构，并通过诸如C:\Users\ Administrator \Documents等方式访问文件。

Linux则采用了一种不同的方式，Linux内核采用虚拟文件系统（Virtual File System，VFS），内核将所有安装在PC上的存储设备的文件纳入单个目录结构中，这个目录被称为虚拟目录（virtual directory）。Linux虚拟目录结构只包含一个称为根（root）目录的基础目录。根目录下的目录和文件会按照访问它们的目录路径一一列出，并使用正斜线 /(windows使用反斜线\)来做路径划分。

Linux文件系统结构是从Unix文件结构演进过来的，并遵守文件系统层级标准（filesystem hierarchy standard，FHS），它确定了Linux系统中每个目录的用途和应该包含的内容，并保证不同Linux发行版之间的文件布局是一致的

Linux内核支持通过不同类型的文件系统从硬盘中读写数据。除了自有的诸多文件系统外，Linux还支持从其他操作系统（比如Windows）采用的文件系统中读写数据，但内核必须在编译时加入对所有可能用到的文件系统的支持，以下为Linux系统用来读写数据的标准文件系统

文件系统的架构

Linux 文件系统采用了层次化的设计，通常分为以下几层：

• 虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）：虚拟文件系统是操作系统内核的一部分，它为不同类型的文件系统提供了统一的接口，屏蔽了底层文件系统的差异性，使Linux能够同时挂载各种文件系统
• 实际文件系统（File System Implementation Layer）：该层实现了具体的文件系统，如 ext4、XFS、Btrfs、FAT32 等，每种文件系统都有其独特的数据结构和实现方式，但它们都通过 VFS 提供一致的接口，向上层应用程序隐藏具体细节
• 存储设备层（Storage Device Layer）：该层包括实际的存储设备（如 HDD、SSD、USB 闪存盘等）及其驱动程序，管理设备的物理 I/O 操作。文件系统将逻辑数据映射到这些物理设备上，通过块设备接口（如 /dev/sda）来访问硬盘的块（block）数据

Linux文件系统都有以下几个重要组成部分：

• 超级块（Superblock）：超级块包含了文件系统的元数据，比如文件系统的大小、块大小、inode 数量、已用和可用的 inode 及数据块等信息。超级块是文件系统的控制信息，通常被加载到内存中，用于文件系统的管理和访问。
• 索引节点（Inode）：Inode是每个文件或目录的描述符，每个文件都有唯一的inode标识符，在文件系统中，文件通过inode号来唯一标识，inode包含文件的元数据，如：

  • 文件类型（普通文件、目录、符号链接等）
  • 文件大小
  • 所有者（用户 ID 和组 ID）
  • 访问权限（读、写、执行）
  • 时间戳（创建时间、修改时间、访问时间）
  • 指向数据块的指针

• 数据块（Data Block）：数据块是文件的实际内容存储区域。每个数据块大小通常为4KB，文件系统通过 inode 中的指针（direct 和 indirect pointers）来定位文件的数据块
• 目录（Directory）：目录是一种特殊类型的文件，它包含了其他文件或子目录的列表。每个目录项包含文件名和对应的inode号。当用户查找一个文件时，系统会先根据目录文件中的inode号找到对应的 inode，再通过inode中的指针找到数据块。
• 日志（Journaling）：大多数现代Linux文件系统（如 ext3、ext4、XFS）都使用日志机制来提高数据可靠性。日志记录文件系统中所有的元数据变化操作，确保在系统崩溃或突然断电时，可以通过重播日志恢复文件系统的完整性。

文件系统的工作

• 文件查找： 当用户要访问某个文件时（如 /home/user/file.txt），系统会按照以下步骤进行查找：

  1. 从根目录 / 开始，找到 home 目录的 inode。
  2. 根据 home 目录 inode 中的数据块指针，找到 user 目录的 inode。
  3. 最终找到 file.txt 的 inode，然后通过该 inode 访问文件的数据块。

• 文件读操作： 当文件被读取时（例如使用 cat 命令），系统会：

  1. 根据目录结构找到文件的 inode。
  2. 读取 inode 中指向的数据块指针。
  3. 从数据块中读取文件内容，并将其返回给用户。

• 文件写操作： 当文件被修改或创建时（例如使用 echo 命令），系统会：

  1. 为新文件分配一个 inode，设置文件的元数据（所有者、权限等）。
  2. 分配新的数据块，并写入文件内容。
  3. 更新 inode 中的指针，使其指向新的数据块。
  4. 更新文件系统的超级块信息（例如可用 inode 和数据块数量）。

• 元数据更新和日志记录：为了防止数据丢失，文件系统通常会先将元数据更新写入到日志区域中，然后再进行实际操作。这种机制被称为 “Write Ahead Logging”。在日志写入成功后，再进行实际的文件写操作，确保在系统故障时能够快速恢复文件系统。

文件的信息

时间信息

在 Linux 系统中，文件的时间戳主要包括以下三种类型：

• 访问时间(Access Time，atime)：文件上次被读取的时间，使用cat、less、head等命令读取文件内容，或通过bash script.sh执行脚本文件，都会更新atime。但认情况下，为了提升性能，大多数 Linux 文件系统（如 ext4）会使用relatime挂载选项，这意味着只有在 atime 比 mtime 或 ctime 旧时，atime 才会更新。因此，某些文件访问操作不会立即反映到atime中
• 修改时间(Modification Time，mtime)：文件内容上次被修改的时间，通过echo、vim、nano和重定向符修改文件内容都会更新mtime
• 更改时间(Change Time，ctime)：文件的元数据(如权限、所有者、文件名等文件属性)上次被更改的时间，通过chmod、chown、chattr修改文件属性，使用mv命令移动、重命名文件都会更新ctime，使用vim，nano修改文件时，编辑器可能会创建临时文件，并使用新文件覆盖原文件，也会更新ctime
• 创建时间(Birth Time或Creation Time，btime)：表示文件首次被创建时的时间，这是一个教新引入的时间戳，因此，一些传统的文件系统不支持该时间戳，一些新的文件系统(如 ext4)也默认不保存创建时间，需要特定文件系统(如 btrfs)或内核版本支持才可以查看

df查看文件系统空间使用情况

GNU提示：df命令仅安装在拥有挂载表的系统上，因此跨平台可移植脚本不应该依赖该命令

df [参数] [挂载点]

• 默认情况下，命令会输出所有当前已挂载文件系统的信息
• -a  显示所有文件系统信息，包括特殊文件系统，这些文件系统通常无法直接访问，因此默认不显示
• -h  将磁盘大小单位换算为KB、MB等单位，以1024作为基数进行换算
• -H  等价于-‌-si选项，换算单位为K、M等单位，以1000作为基数进行换算
• -m  以MB为单位显示容量
• -k  以KB为单位显示容量，默认值
• -T  显示文件系统类型
• -i  列出 inode 使用情况信息，而不是块使用情况
• -l  只列出本地文件系统，默认情况下还会列出远程文件系统
• -‌-output=项目：只列出指定项目，指定多个项目可以用逗号分隔(如-‌-output=source,target)，接收的参数有：source(挂载来源，通常是设备)、target(挂载点)、fstype(文件系统类型)、itotal(inode总数)、iused(已用inode数量)、iavail(可用inode数量)、ipcent(iused除以 itotal的百分比)、size(块总数)、used(已使用的块数)、avail(可用的块数)、pcent(used除以size)、file(文件名，需要在命令行指定)
• -t 文件系统：只显示某个文件系统的信息，可以指定多个-t选项

du显示目录或文件大小

通过df命令发现磁盘空间快满时，可以通过du命令查看是哪些文件占用了较大的存储空间

du [参数] [目录或文件名]…

• 默认情况下，命令会显示当前目录中每个子目录的磁盘块占用数量，并在最后一行输出当前目录总占用数量，该行为会递归进行，即会打印子目录的后代子目录信息，它会以磁盘块为单位来表明每个文件或目录占用了多大存储空间
• -a 打印每个子目录以及子文件的大小
• -h 将文件大小单位换算为K、M等单位
• -k 以K为单位打印占用空间
• -m 以M为单位打印占用空间
• -c 在处理完所有文件后，打印总计
• -s 只统计总大小，不列出子目录和文件
• -d 值depth：只从当前目录向下统计depth层(文件的层次结构)，当前目录为第0层
• -‌-inodes 列出inode的使用情况，而不是块使用情况
• -L 显示链接指向的文件或目录的所占用空间大小，而不是链接文件本身
• -t 值：如果给定的值为正数，则只打印大于等于该值的目录或文件信息，如果值为负数，则只打印小于等于该值的目录或文件，这里的值可以使用kB、k、KiB等单位
• -‌-time：打印文件或目录的上一次内容修改时间mtime
• -‌-time=ctime：打印文件或目录上一次属性修改时间ctime
• -‌-time=atime：打印文件或目录上一次访问时间atime
• -‌-exclude=正则pattern：递归统计时，跳过与pattern匹配的子目录或文件，如du -‌-exclude=’*.o’ 排除以.o结尾的文件
• -X 文件名：从该文件中获取需要排除的文件或目录，每一行表示一个或一类文件，可以使用正则表达式，如果文件名为-，表示从标准输入获取

文件系统修复

fsck [参数] 分区设备名

• -a  不显示用户提示，自动修复文件系统
• -y  功能同-a，部分文件系统仅支持-y

文件系统挂载与卸载

Linux文件系统将所有的磁盘都并入一个虚拟目录下。在使用新的存储媒体之前(如载入U盘等)，需要把它放到虚拟目录下，这个步骤称为挂载(mounting)

查询挂载信息

mount显示已经挂载的设备

• -l显示卷标

自动挂载

在桌面版Linux中，默认会自动挂载设备，也可以通过命令完成自动挂载，自动挂载会根据文件/etc/fstab中指定的文件系统完成挂载

mount -a根据配置文件 /etc/fstab 自动挂载

• -a 挂载所有未挂载的文件系统
• -aF 会同时挂载所有文件系统
• -aO 可以在/etc/fstab中为某个文件系统指定特定的挂载选项，并应用这些选项

手动挂载

mount [-t 文件系统] [-L 卷标名] [-o 特殊选项] 设备文件名 挂载点

• -t 文件系统：挂载指定文件系统，如 ext4、iso9660
• -L 卷标名：自定义卷标的名字
• -f 模拟挂载设备，但并不真的挂载
• -s 忽略该文件系统不支持的挂载选项
• -r 将设备挂载为只读的
• -w 将设备挂载为可读写的（默认参数）
• -v 详细模式，详细说明挂在设备的每一步
• -n 挂载设备，但不注册到/etc/mtab已挂载设备文件中
• -s 忽略该文件系统不支持的挂载选项
• -o 特殊选项：指定挂载的额外选项，以下是几个常用的选项：

硬件设备文件名

通过文件名可以判断该设备文件对应的设备，以下说常用的设备文件名

挂载光盘

为方便文件查找，一般将光盘挂载于根目录下的 /media ，U盘挂载于/mnt目录下，iso9660为光盘默认文件系统，因此-t iso9660 可以省略

mount -t iso9660 /dev/cdrom /media

挂载U盘

1. fdisk -l查看U盘设备文件名

2. mount -t  文件系统  /dev/U盘设备文件名  /mnt

linux默认不支持NTFS文件系统(大部分移动硬盘设备使用NTFS文件系统)，但可以通过插件提供支持

卸载设备

注意，如果有任何程序正在使用设备上的文件，系统就不允许卸载，而是会提示 device is busy，注意命令不是un开头，没有n
umount 设备文件名或挂载点目录名卸载设备

如果在卸载设备时，系统提示设备繁忙，无法卸载设备，通常是有进程还在访问该设备或使用该设备上的文件。这时可用lsof命令获得使用它的进程信息，然后在应用中停止使用该设备或停止该进程。如：lsof /path/to/device/node，或者lsof /path/to/mount/point

压缩与解压缩

文件的压缩与解压(.gz格式)

.gz是GNU gzip软件的压缩格式，与windows不同，下述命令只能压缩与解压缩文件，不能处理文件夹，并且压缩完只保留压缩文件，不保留原文件

• gzip 文件名 压缩(GUN zip)
• gunzip 文件名 解压缩(GUN unzip)
• gzcat 文件名 原来查看压缩过的文本文件内容

文件的打包、压缩与解压(.tar.gz格式)

打包与压缩

tar命令用于文件的归档打包，它将指定的文件或目录以指定的方式进行组织和存储，包括文件的权限、所有者、时间戳等信息，并打包成一个单独的文件，打包后的文件格式一般为.tar，打包后的文件可以用gzip命令压缩，生成.tar.gz(或.tgz)格式的压缩包文件，tar命令也支持直接将文件重定向给gzip命令，一次性完成打包、压缩操作，打包压缩后的文件名可以不写.tar.gz等后缀，但不方便用户识别

tar [参数] [打包后文件名] [打包文件/目录] 打包文件或目录

• -c(-‌-create)  打包为一个新的归档文件
• -z  将输出重定向给gzip命令，即打包后压缩(需要和-c等参数一起使用)
• -r(-‌-append)  追加文件到已有tar归档文件末尾
• -A(-‌-concatenate)  将一个已有tar归档文件追加到另一个已有tar归档文件
• -d(-‌-diff)  检查该文件和其在归档文件中的不同之处，如果被修改则标记为changed，被删除标记为deleted，该文件未被打包到归档文件中则标记为added
• -‌-delete  从已有tar归档文件中删除
• -u(-‌-update) 将比tar归档文件中已有的同名文件新的文件追加到该tar归档文件中
• -p 保留所有文件权限
• -v  显示详细信息
• -t(-‌-list) 列出已有tar归档文件的内容
• -f  指定文件名(该参数必须)

解压

tar [参数] [解压缩的文件]

• -x  解包，提取文件
• -v  显示详细信息
• -f  指定解压缩的文件(该参数必须)
• -z  解包后解压缩(需要和x参数一起使用)

  最常用的是解压一个.tar.gz文件，因此大多数情况下-zxf为必用参数

  示例: # tar -zxvf test.tar.gz 解压缩test.tar.gz文件，并显示详细信息

.zip格式的压缩与解压

zip [选项] [-r] [压缩后文件名] [压缩文件或目录]

• -r 压缩目录

  .zip格式为Linux和windows通用格式，zip命令会保留原文件，并且一个命令就可以处理文件与文件夹

unzip [解压的文件名]

解压文件

.bz2、.tar.bz2格式的压缩与解压

1. 压缩

对文件(格式为.bz2)

bzip2 [参数] [-k][文件]

• -k  压缩后保留原文件

对文件夹(格式为.tar.bz2)

tar -jcf [压缩后文件名] [压缩目录]

即将tar中的z参数改为j参数就是压缩为.tar.bz2格式

2. 解压

对文件(格式为.bz2)

bunzip2 [-k] [解压文件]

• -k  解压缩后保留原文件

对文件夹(格式为.tar.bz2)

tar -jxf [解压文件]

同样将tar中的z参数改为j参数就是解压.tar.bz2格式