樹莓派開始，玩轉Linux26：倉庫大管家

在前面的章節中，我們已經用到了Linux的文件系統。通過文件系統，可以找到文件、新建文件、刪除文件、讀寫文件。這些高層抽象的用戶操作，完全可以滿足日常需求。但對于Linux程序員和資深用戶來說，只有知道了外部存儲器的組織方式，才能深入Linux系統編程。

1.外部存儲設備：

文件系統的終極目標是把大量數據有組織地放入外部存儲設備中，比如樹莓派的SD卡上。以SD卡作為外部存儲器的計算機并不常見。在非樹莓派的PC上，更常見的外部存儲器是磁盤。外部存儲設備的容量一般也比內存大。它們還可以持久地保存數據，儲存的數據不會隨著斷電而消失。外部存儲器的讀寫速度要比內存慢。道理很簡單，如果外部存儲器讀寫速度比內存還快，那么人們會直接選用外部存儲器來作為主存儲器。

傳統的機械式磁盤在進行隨機讀寫時，效率會比連續讀寫更低。機械式磁盤由多個盤片和磁頭組成，每個盤片上有多個可以存儲數據的磁道。如果讀寫的區域不連續，磁盤需要改變磁頭位置來切換磁道。在進行隨機讀寫時，數據存活的區域可能散布于不同的磁道，因此磁道切換會讓讀寫效率大為降低。因為SD卡沒有類似的機械結構，所以隨機讀寫和連續讀寫的速度差距不像磁盤那么大。

再來看外部存儲器中的數據組織方式。Linux通過文件系統來管理外部存儲器。文件系統有很多種分類。在Linux下常見的有ext2fs、ext3fs和ext4fs。Windows系統采用的是FAT文件系統。NTFS是常用于網絡存儲器的文件系統。每種文件系統都有自己的一套數據管理策略，自然也會各有優缺點。但無論是哪種文件系統，都至少應該有三方面的功能。

（1）通過名字和層級來組織文件，比如文件名和路徑。
（2）提供操作文件的接口，比如查找、新建、刪除、讀取和寫入文件。
（3）提供權限功能，比如文件保護和文件共享。

同一個外部存儲器可以劃分成一個或多個分區（Partition），每個分區可以用一種文件系統格式來管理。以樹莓派為例，在SD卡上燒錄Raspbian鏡像后，SD卡的存儲空間就會劃分成兩個分區。一個空間是啟動分區，采用了FAT32形式的文件系統，啟動分區主要用于開機啟動，空間較小。剩下的空間是主分區，采用了ext4fs形式的文件系統。

2.外部存儲器的掛載：

SD卡上的兩個分區采用了兩種文件系統。但最終在運行的Raspbian上，只會看到一個以根目錄/為起點的文件系統。也就是說，兩個物理分區以某種形式合并到了Linux的文件樹上。我們把這個過程稱為掛載（Mounting），即讓文件樹上的某個目錄和存儲器的物理分區對應起來。這個目錄稱為掛載點（Mounting Point）。從掛載點開始向下的子文件樹，實際上就對應了掛載的物理分區。

Linux系統的掛載信息都保存在文件/etc/fstab中。查看樹莓派中該文件的記錄：

可以看到，樹莓派SD卡的主分區掛載在根目錄/上，而啟動分區掛載在根目錄下的/boot上。這兩棵文件樹有重疊的從屬關系，以根目錄/為起點的文件樹，包括了以/boot為起點的文件樹。這種情況下，Linux以子文件樹優先，把啟動分區掛載在/boot上。主分區的掛載點是根目錄/，但不再包括/boot子文件樹。因此，/boot下的數據都會存放于啟動分區，其他的數據存放于主分區。

一個外部存儲器必須經過掛載，才能加入操作系統的文件樹。也只有加入文件樹后，應用程序才能通過文件系統來訪問外部存儲器中的數據。在樹莓派中插入一個U盤，用fdisk命令可以找到這個U盤。

它會自動掛載到/media下的一個目錄上，例如/media/MyUsbDrive。因此，我們往/media/MyUsbDrive存入的文件，實際上都會存入U盤。如果對系統自動分配的掛載點不滿意，那么可以卸載U盤，再掛載到一個自定義的掛載點。首先，卸載U盤，假如USB設備位于/dev/sda1，那么卸載U盤的命令就是：

然后，設置設備的默認掛載點，默認掛載點的配置文件在/etc/fstab上。使用nano工具來編輯這個文件：

這個文件里的每一行都是一個設備的掛載設置，例如下面這一行：

這里有6個參數，含義如下。
（1）設備名稱。一般是/dev/xxx。
（2）掛載點。對于USB設備默認是/media/xxx。
（3）文件系統格式。例如ext4。
（4）設備參數。例如defaults、noatime。
（5）一個不再使用的參數，通常設置為0。
（6）磁盤檢測設置。1為根文件系統，2為永久掛載磁盤，0為可插拔的移動設備。

掛載完成后，可以用df命令來查詢文件系統的掛載情況：

存儲器開始部分的塊會有一個總的分區表（Partition Table），記錄著存儲器的基本信息，比如塊（Block）的大小、存儲器的編號和可用空間。塊是存儲器的讀寫單元。即使一個文件小于一個塊，它還是會占據這個塊的完整空間。此外，分區表中還逐項記錄每個分區的信息，包括分區的起始位置和大小。隨后的存儲空間劃分成分區。不同的分區可以采用不同的文件系統。

3.ext文件系統：

根據文件系統類型的不同，分區有不同的存儲格式。先來看樹莓派ext4格式的主分區。ext4全稱是第四代拓展文件系統（Fourth ExtendedFile System）。從ext到ext4的文件系統，都是專門為Linux內核開發的。相對于第一代的ext來說，ext4增加了許多高級特征。但這四代操作系統的共同特色是圍繞inode來組織文件。筆者也將圍繞inode來展示ext系列的文件系統，并有意忽略一些高級特征。對于一個ext分區來說，內容可以分為如圖所示的幾個部分。裝有操作系統的ext分區的第一個塊是引導塊（Boot Block）。引導塊中有引導加載程序（Boot Loader），幫助計算機在開機時加載Linux內核。引導加載程序儲存有內核的相關信息，比如內核名稱和內核所在位置。但在樹莓派中，FAT32的啟動分區負責開機啟動。樹莓派的引導加載程序也在啟動分區。因此，樹莓派上的ext主分區并沒有引導塊。

每個ext分區會有一個超級塊（Super Block）。超級塊中記錄著文件組織的信息，包括文件系統的類型、inode的數目、塊的總數和空閑數量等。超級塊對于文件系統來說至關重要。如果超級塊損壞，則會導致整個分區的文件系統損壞。

超級塊后面跟著inode表和數據塊（Data Block）部分。一個inode表中有多個inode。所謂的inode，是描述文件存儲信息的數據結構。文件有一個對應的inode。每個inode有一個唯一的整數編號（InodeNumber）。在Linux下，可以使用命令來查詢文件的inode編號。

一個文件除了自身的數據之外，還會有附屬信息。附屬信息包括文件大小、擁有人、擁有組、修改日期等。這些附屬信息就存在inode中。因此，inode對于文件管理和文件安全都很重要。

除了這些附屬信息，inode還存有文件包含的所有數據塊的位置信息。這些位置信息被稱為指向數據塊的指針。在Linux系統中，一個大文件可以分成幾個數據塊存儲，就好像是分散在各地的龍珠。為了順利地集齊龍珠，我們需要地圖的指引。當Linux想要打開一個文件時，必須先找到文件對應的inode，然后根據inode這張地圖的指引將所有的數據塊收集起來，才能拼湊出一個完整的文件。在Linux中，我們通過解析路徑，根據沿途的目錄文件來找到某個文件。目錄文件的每個條目對應了一個子文件的文件名，以及該文件的inode編號。以/var/test.txt文件的存儲為例，假設其存儲結構如圖所示。當我們輸入代碼$cat/var/test.txt時，Linux將在根目錄文件中找到/var這個目錄文件的inode編號10747905，然后根據inode中指針指向的數據塊合成出/var目錄文件。隨后，Linux重復上述過程，根據/var中text.txt文件的inode編號10749034，找到text.txt的數據。

當寫入一個文件時，Linux會分配一個空白inode給該文件，將其inode編號記入該文件所屬的目錄，然后選取空白的數據塊，讓inode指針指向這些數據塊，并向內存中放入數據。

/var/test.txt相關文件存儲

4.FAT文件系統：

再來看FAT32格式的樹莓派啟動區。正如上面提到的，這個啟動區有一個引導塊，用于在開機時加載Linux內核。引導塊之后是文件分配表（FAT，File Allocation Table）。文件分配表的組織形式和inode不同，但起到了和inode類似的作用。

FAT32是FAT文件系統家族的一員。FAT文件系統其實就是以"文件分配表"的英文簡寫來命名的，由此可見文件分配表對于FAT文件系統的重要性。文件分配表按照順序對應了所有的數據塊。在文件分配表的一條記錄中，說明了同一個文件中下一個數據塊的位置。比如，文件分配表的第2條記錄中記錄了5，這就說明了2號數據塊的下一個數據塊是5號數據塊。當一個數據塊是文件的最后一個數據塊時，它就不再有下一個數據塊了。它在文件分配表中的記錄，也會填寫成固定的0xffff。只要知道了一個文件的起點數據塊位置，就能根據文件分配表找到該文件的所有數據塊。

此外，FAT文件系統還有一個區域專門記錄FAT根目錄信息。其他的子目錄則以文件的形式保持。目錄中的每條記錄對應了一個文件，除了文件名和文件屬性，還記錄了文件的起始數據塊的位置。從根目錄出發，我們可以通過記錄中起始數據塊的位置，配合文件分配表來組裝根目錄下的子目錄和文件。依此類推，我們可以找到整個FAT文件系統的文件。

由此可見，ext的組織形式著眼于文件，因此以inode為主要的中間層。而FAT的組織形式著眼于數據塊，所以以文件分配表為主要的中間層。FAT的文件分配表的記錄總數和數據塊總數相同，可能會很占空間。此外，FAT必須按照順序一個一個找數據塊，沒法像ext那樣從inode中獲得一張完整的地圖。因此，當文件在存儲器上比較零散時，FAT沒法像ext一樣優化讀寫路徑，但由于Windows系統的成功，FAT文件系統的應用依然非常廣泛。

總結

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