树莓派开始，玩转Linux26：仓库大管家

在前面的章节中，我们已经用到了Linux的文件系统。通过文件系统，可以找到文件、新建文件、删除文件、读写文件。这些高层抽象的用户操作，完全可以满足日常需求。但对于Linux程序员和资深用户来说，只有知道了外部存储器的组织方式，才能深入Linux系统编程。

1.外部存储设备：

文件系统的终极目标是把大量数据有组织地放入外部存储设备中，比如树莓派的SD卡上。以SD卡作为外部存储器的计算机并不常见。在非树莓派的PC上，更常见的外部存储器是磁盘。外部存储设备的容量一般也比内存大。它们还可以持久地保存数据，储存的数据不会随着断电而消失。外部存储器的读写速度要比内存慢。道理很简单，如果外部存储器读写速度比内存还快，那么人们会直接选用外部存储器来作为主存储器。

传统的机械式磁盘在进行随机读写时，效率会比连续读写更低。机械式磁盘由多个盘片和磁头组成，每个盘片上有多个可以存储数据的磁道。如果读写的区域不连续，磁盘需要改变磁头位置来切换磁道。在进行随机读写时，数据存活的区域可能散布于不同的磁道，因此磁道切换会让读写效率大为降低。因为SD卡没有类似的机械结构，所以随机读写和连续读写的速度差距不像磁盘那么大。

再来看外部存储器中的数据组织方式。Linux通过文件系统来管理外部存储器。文件系统有很多种分类。在Linux下常见的有ext2fs、ext3fs和ext4fs。Windows系统采用的是FAT文件系统。NTFS是常用于网络存储器的文件系统。每种文件系统都有自己的一套数据管理策略，自然也会各有优缺点。但无论是哪种文件系统，都至少应该有三方面的功能。

（1）通过名字和层级来组织文件，比如文件名和路径。
（2）提供操作文件的接口，比如查找、新建、删除、读取和写入文件。
（3）提供权限功能，比如文件保护和文件共享。

同一个外部存储器可以划分成一个或多个分区（Partition），每个分区可以用一种文件系统格式来管理。以树莓派为例，在SD卡上烧录Raspbian镜像后，SD卡的存储空间就会划分成两个分区。一个空间是启动分区，采用了FAT32形式的文件系统，启动分区主要用于开机启动，空间较小。剩下的空间是主分区，采用了ext4fs形式的文件系统。

2.外部存储器的挂载：

SD卡上的两个分区采用了两种文件系统。但最终在运行的Raspbian上，只会看到一个以根目录/为起点的文件系统。也就是说，两个物理分区以某种形式合并到了Linux的文件树上。我们把这个过程称为挂载（Mounting），即让文件树上的某个目录和存储器的物理分区对应起来。这个目录称为挂载点（Mounting Point）。从挂载点开始向下的子文件树，实际上就对应了挂载的物理分区。

Linux系统的挂载信息都保存在文件/etc/fstab中。查看树莓派中该文件的记录：

可以看到，树莓派SD卡的主分区挂载在根目录/上，而启动分区挂载在根目录下的/boot上。这两棵文件树有重叠的从属关系，以根目录/为起点的文件树，包括了以/boot为起点的文件树。这种情况下，Linux以子文件树优先，把启动分区挂载在/boot上。主分区的挂载点是根目录/，但不再包括/boot子文件树。因此，/boot下的数据都会存放于启动分区，其他的数据存放于主分区。

一个外部存储器必须经过挂载，才能加入操作系统的文件树。也只有加入文件树后，应用程序才能通过文件系统来访问外部存储器中的数据。在树莓派中插入一个U盘，用fdisk命令可以找到这个U盘。

它会自动挂载到/media下的一个目录上，例如/media/MyUsbDrive。因此，我们往/media/MyUsbDrive存入的文件，实际上都会存入U盘。如果对系统自动分配的挂载点不满意，那么可以卸载U盘，再挂载到一个自定义的挂载点。首先，卸载U盘，假如USB设备位于/dev/sda1，那么卸载U盘的命令就是：

然后，设置设备的默认挂载点，默认挂载点的配置文件在/etc/fstab上。使用nano工具来编辑这个文件：

这个文件里的每一行都是一个设备的挂载设置，例如下面这一行：

这里有6个参数，含义如下。
（1）设备名称。一般是/dev/xxx。
（2）挂载点。对于USB设备默认是/media/xxx。
（3）文件系统格式。例如ext4。
（4）设备参数。例如defaults、noatime。
（5）一个不再使用的参数，通常设置为0。
（6）磁盘检测设置。1为根文件系统，2为永久挂载磁盘，0为可插拔的移动设备。

挂载完成后，可以用df命令来查询文件系统的挂载情况：

存储器开始部分的块会有一个总的分区表（Partition Table），记录着存储器的基本信息，比如块（Block）的大小、存储器的编号和可用空间。块是存储器的读写单元。即使一个文件小于一个块，它还是会占据这个块的完整空间。此外，分区表中还逐项记录每个分区的信息，包括分区的起始位置和大小。随后的存储空间划分成分区。不同的分区可以采用不同的文件系统。

3.ext文件系统：

根据文件系统类型的不同，分区有不同的存储格式。先来看树莓派ext4格式的主分区。ext4全称是第四代拓展文件系统（Fourth ExtendedFile System）。从ext到ext4的文件系统，都是专门为Linux内核开发的。相对于第一代的ext来说，ext4增加了许多高级特征。但这四代操作系统的共同特色是围绕inode来组织文件。笔者也将围绕inode来展示ext系列的文件系统，并有意忽略一些高级特征。对于一个ext分区来说，内容可以分为如图所示的几个部分。装有操作系统的ext分区的第一个块是引导块（Boot Block）。引导块中有引导加载程序（Boot Loader），帮助计算机在开机时加载Linux内核。引导加载程序储存有内核的相关信息，比如内核名称和内核所在位置。但在树莓派中，FAT32的启动分区负责开机启动。树莓派的引导加载程序也在启动分区。因此，树莓派上的ext主分区并没有引导块。

每个ext分区会有一个超级块（Super Block）。超级块中记录着文件组织的信息，包括文件系统的类型、inode的数目、块的总数和空闲数量等。超级块对于文件系统来说至关重要。如果超级块损坏，则会导致整个分区的文件系统损坏。

超级块后面跟着inode表和数据块（Data Block）部分。一个inode表中有多个inode。所谓的inode，是描述文件存储信息的数据结构。文件有一个对应的inode。每个inode有一个唯一的整数编号（InodeNumber）。在Linux下，可以使用命令来查询文件的inode编号。

一个文件除了自身的数据之外，还会有附属信息。附属信息包括文件大小、拥有人、拥有组、修改日期等。这些附属信息就存在inode中。因此，inode对于文件管理和文件安全都很重要。

除了这些附属信息，inode还存有文件包含的所有数据块的位置信息。这些位置信息被称为指向数据块的指针。在Linux系统中，一个大文件可以分成几个数据块存储，就好像是分散在各地的龙珠。为了顺利地集齐龙珠，我们需要地图的指引。当Linux想要打开一个文件时，必须先找到文件对应的inode，然后根据inode这张地图的指引将所有的数据块收集起来，才能拼凑出一个完整的文件。在Linux中，我们通过解析路径，根据沿途的目录文件来找到某个文件。目录文件的每个条目对应了一个子文件的文件名，以及该文件的inode编号。以/var/test.txt文件的存储为例，假设其存储结构如图所示。当我们输入代码$cat/var/test.txt时，Linux将在根目录文件中找到/var这个目录文件的inode编号10747905，然后根据inode中指针指向的数据块合成出/var目录文件。随后，Linux重复上述过程，根据/var中text.txt文件的inode编号10749034，找到text.txt的数据。

当写入一个文件时，Linux会分配一个空白inode给该文件，将其inode编号记入该文件所属的目录，然后选取空白的数据块，让inode指针指向这些数据块，并向内存中放入数据。

/var/test.txt相关文件存储

4.FAT文件系统：

再来看FAT32格式的树莓派启动区。正如上面提到的，这个启动区有一个引导块，用于在开机时加载Linux内核。引导块之后是文件分配表（FAT，File Allocation Table）。文件分配表的组织形式和inode不同，但起到了和inode类似的作用。

FAT32是FAT文件系统家族的一员。FAT文件系统其实就是以"文件分配表"的英文简写来命名的，由此可见文件分配表对于FAT文件系统的重要性。文件分配表按照顺序对应了所有的数据块。在文件分配表的一条记录中，说明了同一个文件中下一个数据块的位置。比如，文件分配表的第2条记录中记录了5，这就说明了2号数据块的下一个数据块是5号数据块。当一个数据块是文件的最后一个数据块时，它就不再有下一个数据块了。它在文件分配表中的记录，也会填写成固定的0xffff。只要知道了一个文件的起点数据块位置，就能根据文件分配表找到该文件的所有数据块。

此外，FAT文件系统还有一个区域专门记录FAT根目录信息。其他的子目录则以文件的形式保持。目录中的每条记录对应了一个文件，除了文件名和文件属性，还记录了文件的起始数据块的位置。从根目录出发，我们可以通过记录中起始数据块的位置，配合文件分配表来组装根目录下的子目录和文件。依此类推，我们可以找到整个FAT文件系统的文件。

由此可见，ext的组织形式着眼于文件，因此以inode为主要的中间层。而FAT的组织形式着眼于数据块，所以以文件分配表为主要的中间层。FAT的文件分配表的记录总数和数据块总数相同，可能会很占空间。此外，FAT必须按照顺序一个一个找数据块，没法像ext那样从inode中获得一张完整的地图。因此，当文件在存储器上比较零散时，FAT没法像ext一样优化读写路径，但由于Windows系统的成功，FAT文件系统的应用依然非常广泛。

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