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Linux 文件管理系统

文件系统是一种组织和管理数据的方法，它提供文件与目录的命名空间，以及一套统一的接口，让用户无需关心数据在底层存储设备上的具体位置与存取方式。它的底层可以是磁盘，也可以是其他动态生成的数据，如网络或内存。

常见文件系统

  1. 磁盘文件系统：

    • Ext4：现代 Linux 默认文件系统（其前代 Ext2/Ext3 基本用于兼容场景）。
    • XFS：高性能、支持大文件，企业常用。
    • ZFS：集成了传统文件系统与卷管理，支持数据完整性校验、快照、克隆、压缩等功能。
    • NTFS： Windows 主流文件系统，也可用在移动存储设备上，在 Linux 中可使用 ntfs-3g 访问。

    • FAT16 / FAT32 / exFAT：常见于移动存储设备（如 U 盘、SD 卡），跨平台兼容性好。

    • ISO9660 / UDF：只读光盘文件系统，也用于系统镜像。

    • SquashFS：只读压缩文件系统，支持多种压缩算法，常用于嵌入式系统作为根文件系统，或者用于软件打包、文件备份归档。

  2. 网络文件系统：

    • NFS：网络文件系统，用于局域网环境的分布式文件共享。

  3. 虚拟文件系统：

    • /proc：提供进程和内核状态信息接口

    • /sys（sysfs）：提供设备和内核对象接口

    • tmpfs：临时文件系统，用于快速存储和临时挂载

    • cgroupfs：一般挂载在 /sys/fs/cgroup，是资源控制组接口

  4. 其他

    • swap：交换空间，可将不活跃的内存页换出到磁盘（不是严格意义上的文件系统）。
    • OverlayFS：分层文件系统，容器常用。

Linux 识别硬盘设备和分区

Linux 启动时，内核会通过硬盘驱动识别存储设备（如 SATA、SCSI、NVMe 等），并读取分区表以了解分区布局。用户可通过 lsblk 命令或者 fdisk -l 了解系统磁盘分区信息。

现代硬盘分区主要使用 GPT（GUID Partition Table），可支持大量主分区（数百上千个），提供 CRC 校验，与 UEFI 启动兼容。历史上，旧的 BIOS 系统则使用 MBR（Master Boot Record）分区，最多只支持 4 个主分区，超出需要使用扩展分区，仅在老旧硬件或兼容性场景使用。

分区目的包括：

  1. 方便管理：将系统文件、用户数据、日志文件分开。
  2. 提高系统效率：合理分区可减少碎片，提高 I/O。
  3. 磁盘配额：限制用户或组的磁盘使用量。
  4. 备份和恢复：便于单独备份系统或数据。
  5. 安全性：不同分区可以设置不同的挂载选项以及 ACL 访问控制权限。

文件系统与磁盘状态查看工具

Linux 提供了多种命令用于查看磁盘、分区和文件系统的状态，从空间占用到文件系统元数据都可以监控和分析。

常见工具

  1. df 命令可用于查看挂载文件系统的使用情况。常见参数有：

    • -h：习惯单位（K/M/G）。

    • -a：显示所有文件系统，包括虚拟文件系统。

    • -T：显示文件系统类型，如 ext4、xfs、tmpfs 等。

  2. du 命令可查看目录所占用的空间。常见参数有：

    • -h：习惯单位。
    • --max-depth=1：只展开一层子目录，默认全展开。
    • -s：只统计总占用。
  3. lsblk 查看块设备和及其文件系统信息（包括未挂载）。可查看块设备名、大小、挂载点等信息。添加 -f 参数还可查看文件系统类型、UUID 等信息。
  4. findmnt 查看已挂载的文件系统及挂载点（包括虚拟文件系统）。可查看挂载点、源设备、文件系统类型、挂载选项。
  5. `fdisk -l 查看所有磁盘和分区的低级信息（包括未挂载）。可查看分区表类型、分区起止扇区、大小、分区类型、UUID 等信息。需要 root 权限。

查看 EXT 文件系统详细信息

Linux 提供了一些工具用于查看 ext2/ext3/ext4 文件系统的详细信息：

  1. dumpe2fs

    dumpe2fs [-h] <device>

    • 查看指定分区或设备上的 ext 文件系统详细信息。

    • -h 选项只显示 超级块（superblock）信息。

  2. tune2fs

    tune2fs -l <device>
    • 输出信息与 dumpe2fs 类似，但格式更易读，常用于查看系统或分区状态。

注：这些工具仅适用于 ext2/ext3/ext4 文件系统，其他文件系统（如 XFS、Btrfs）需要使用相应工具，如 xfs_info 或 btrfs filesystem show。

Linux 设备文件

Linux 系统中，一切都是文件，设备也不例外。设备文件是内核访问设备的接口，而 /dev 是设备文件所在目录，Linux 通过它与设备硬件进行交互。当内核检测到硬件时，会触发 udev（用户空间设备管理器）创建对应的 /dev 设备文件。

设备文件的设备文件名是方便用户记忆的标签（如 /dev/sda）。而每个设备文件具有自己的主设备号（major number）和次设备号（minor number），主设备号告诉内核应该用哪个驱动程序管理设备，而次设备号用于区分同一类设备下的具体实例，内核通过这两个设备号唯一标识一个内核管理的设备实例。

通过 ls -l /dev 可查看设备文件的信息：

crw-rw-rw-  1 root root    195,     0 Aug 19 15:45 nvidia0
crw-------  1 root root    241,     0 Aug 19 15:45 nvme0
brw-rw----  1 root disk    259,     0 Aug 30 06:01 nvme0n1
brw-rw----  1 root disk    259,     1 Aug 30 06:01 nvme0n1p1
brw-rw----  1 root disk      8,     0 Aug 30 06:01 sda
brw-rw----  1 root disk      8,     1 Aug 30 06:01 sda1

如上输出中：

  • 第一个字符如果是 b 表示是块设备，而 c 表示是字符设备。
    • 块设备：按块访问，用户可挂载文件系统；
    • 字符设备：按字节访问，不经过文件系统缓存，直接和驱动交互（nvme0 是 NVMe 控制器本身，不挂载文件系统，所以是字符设备）。
  • 第 5，6 列的数字即是主设备号和次设备号。
  • 最后一列是设备文件名，一般来说，设备文件名的开头代表了设备类型或接口，如：
    • nvidia 开头的表示 Nvidia GPU；
    • nvme 开头的表示 NVMe 接口的 SSD，其后的 XnYpZ 中，X 表示控制器号，而 Y 表示命名空间号，而 Z 表示分区号；
    • sd 开头的代表 SATA/SCSI/SAS 硬盘（如传统机械、SATA SSD、U盘），每个设备一个设备名（sda，sdb，…），其后再接数字表示分区。

分区唯一标识符 UUID

Linux 内核在启动或热插拔事件时，会 扫描所有总线（PCI/SCSI/SATA/NVMe 等）上的设备。内核会根据扫描顺序分配 设备号（major/minor） 和 设备节点名（如 /dev/sda、/dev/nvme0n1）。扫描顺序受总线拓扑、设备存在与否、驱动加载顺序等影响。

如果更换了硬盘顺序，或者拔掉了某些设备，可能导致设备名和次设备号发生改变。因此，为了稳定挂载文件系统，Linux 会给每个格式化后的分区分配一个 UUID。UUID 是一个 128 bit 的数字，由系统自动生成和管理。使用 UUID，在分区顺序改变或内核升级后，仍然保证分区正确加载。

查看分区 UUID 的方法：

ls -l /dev/disk/by-uuid  # 或
blkid

给磁盘分区

在挂载和管理磁盘之前，通常需要 先对磁盘进行分区。Linux 提供了 fdisk 工具，用于列出分区、创建和修改分区表。首先，在创建分区之前，可以使用前文提到的如 fdisk -l、lsblk 等工具查看当前系统中的磁盘和分区信息。

要给指定的磁盘（如 /dev/sda）分区，使用如下的命令进入交互式界面，在交互式界面输入 m 可以获取帮助：

fdisk /dev/sda

创建分区过程：在交互式界面依次输入如下字母，进行分区创建

  1. 创建分区表
    • g：创建 GPT 分区表（输入 o 则是创建 MBR 分区表，不推荐使用）。
  2. 创建新分区：若要在该盘上创建多个分区，则重复执行该步骤
    • n：创建新分区；
    • p：设置新分区为主分区（输入e 则是扩展分区，仅 MBR 使用）；
    • 输入分区号；
    • 输入分区起始扇区（直接回车则紧接着上一个分区）；
    • 输入结束扇区（可以直接使用 +size 的格式，如 +20G，直接回车表示使用全部剩余空间）。
  3. 保存或退出
    • w：写入分区表，并保存退出；
    • q：直接退出，不保存。

创建文件系统

创建磁盘文件系统

完成分区后，磁盘只是被划分了逻辑区域，还没有文件系统。在分区完成后，需要 为分区创建文件系统，才能挂载使用。Linux 提供了两个常用工具：

  1. mkfs

    mkfs [-t type] <device>
    • -t type 指定文件系统类型，如 ext4，xfs，vfat 等

  2. mke2fs（专用于 ext 系列文件系统）

    mke2fs [-t type] [-b block-size] [-i bytes-per-inode] <device>
    • -t type：指定文件系统
    • -b block-size：指定 block 大小
    • -i bytes-per-inode：指定多少字节分配一个 inode

  • 若无特殊需要，用 mkfs 就够了。

  • 格式化操作会清除分区上所有数据，请谨慎操作

  • 格式化完成后，分区便拥有了 UUID，请使用 blkid 或 lsblk -f 查看。

创建 swap 文件系统

在 Linux 中，用作虚拟内存的磁盘空间称为 swap。Swap 可以在物理内存不足时临时存储数据，保证系统继续运行。可以通过 swap 分区 或 swap 文件 两种方式创建。

  1. swap 分区

    1. 分区：使用 fdisk 创建一个分区（类型随意，大小根据系统内存和需求设置）

    2. 格式化为 swap：

      mkswap /dev/sdXn

  2. swap 文件

    1. 创建文件：使用 fallocate 或者 dd 命令

      # 创建 4GB 文件
sudo fallocate -l 4G /swapfile # 或
sudo dd if=/dev/zero of=/swapfile bs=1M count=4096

    2. 设置权限为 600

      sudo chmod 600 /swapfile

    3. 格式化为 swap 文件：

      sudo mkswap /swapfile

swap 的启用

格式化 swap 分区/ swap 文件后，可用 swapon /dev/sdXn 或 swapon /swapfile 命令启动 swap。若要设置开机自动，需要在 /etc/fstab 中添加：（fstab 文件具体配置请看下文）

# 分区
/dev/sdXn none swap sw 0 0  # 也可先查看 UUID 后，使用 UUID 来配置
# 文件
/swapfile none swap sw 0 0

可用 free -h 或者 swapon --show 命令查看 swap 的使用情况。

Linux 文件系统挂载

挂载命令 mount

mount 命令用于挂载文件系统，也可以列出当前系统已挂载的文件系统信息。

命令格式：

mount [-t filesystem_type] [-L label] [-U uuid] [-o opt1[,opt2,...]] device mountpoint

参数说明：

  • -t 指定文件系统类型，不指定系统自动检测

  • -L 通过卷标名进行挂载

  • -U：通过 UUID 挂载（推荐）

  • -o ：指定额外挂载选项，用逗号分隔，默认选项为：rw,async,nodev,auto,suid,exec,nouser。

    • rw/ro：读写/只读权限；

    • async/sync：异步/同步写入；

    • dev/nodev：是否允许访问设备文件；

    • auto/noauto：是否允许以 mount -a 的方式自动挂载；

    • suid/nosuid：是否拥有 SetUID 和 SetGID 权限；

    • exec/noexec：是否允许可执行文件；

    • user/nouser：是否允许让普通用户使用 mount 挂载；

    • remount：重新挂载，对已经挂载的文件系统，修改显式指定的选项。

例1：挂载磁盘 /dev/sdb1 

mkdir /mnt/disk1   # 建立挂载点
mount /dev/sdb1 /mnt/disk1  # 挂载分区

例 2：挂载 FAT32 的 U 盘 /dev/sdb1

插入 U 盘后，Linux 会将其识别为一个块设备。可通过 fdisk -l、lsblk 等命令找到其文件名，如 /dev/sdb1。

# 建立挂载点
mkdir /mnt/usb 
# 挂载 U 盘，如果不确定 U 盘的文件系统是什么，可省略 -t vfat，由系统自动检测
mount -t vfat -o iocharset=utf8 /dev/sdb1 /mnt/usb
# 进入挂载点访问 U 盘数据
cd /mnt/usb/

注：对于 NTFS、exFAT 等非 Linux 原生文件系统，需要额外驱动（ntfs-3g、exfat-fuse）

开机自动挂载硬件设备

Linux 通过 /etc/fstab 文件配置开机自动挂载的文件系统。系统启动时会根据配置挂载分区。systemd 会自动读取该文件并挂载对应分区，运行 mount -a 也可手动挂载 /etc/fstab 中定义的所有分区。

文件中每一行表示一个挂载，格式为：

<file system> <mount point>   <type>  <options>       <dump>  <pass>

其各字段含义：

  1. file system：要挂载的设备，可以是：
    • 设备文件名：/dev/sda1
    • UUID：UUID=xxxx-xxxx （推荐）
    • 标签：LABEL=mydisk
    • 网络路径：server:/path
  2. mount point：挂载点目录，目录必须事先存在，否则挂载失败。
  3. type：文件系统类型，如 ext4、xfs、tmpfs 等，或使用 auto 自动识别。
  4. options：挂载参数，见 mount 命令的挂载参数。
  5. dump：是否被 dump 备份（0 不备份，1 备份，2 不定期备份）
  6. pass：启动时 fsck 的检查顺序（0 不检测，其他是优先级，越小越高，）

dump 是一个传统的 UNIX 备份工具，可以按照文件系统级别进行备份。现代 Linux 系统中几乎没人再用，取而代之是 rsync、tar、borg 等更通用的工具，这个字段现在几乎是“摆设”，直接写 0 就行。

卸载文件系统

umount 命令用于卸载已经挂载的硬件设备。只有在卸载后，设备才能安全移除或重新挂载。用法：

umount 挂载点/设备名

如果文件系统正在被使用，umount 会失败。可以用 lsof 或 fuser -m <挂载点> 来查找占用进程。如果要强制卸载，可给 umount 加 -f 参数，但可能导致数据丢失，需谨慎操作。

fuser -m <挂载点> 输出列出是占用的进程，如：

/:       1942rce 5331rce  7442rce 59846rce 65221rce 66638rce 95797rce 208201rce 242421rce 300136c 300370cm 391330rce

前面的数字（如 1942、5331）代表进程的 PID，而后缀字母代表进程如何使用该文件：

  • c：cwd（当前目录）在这个挂载点里
  • e：进程运行的可执行文件在这个挂载点里
  • f：打开的文件在这个目录里
  • r：根目录在这个文件里
  • m：内存映射的文件在这个挂载点里

检测和修复文件系统

fsck（file system check）是 Linux 文件系统一致性检查工具。它会扫描磁盘分区的元数据和数据块，确保没有逻辑错误，例如：

  • inode 表和块位图不一致
  • 空闲块计数错误
  • 文件指向丢失的数据块
  • 目录项损坏

系统启动时，systemd 会自动调用 fsck 按 /etc/fstab 中 <pass> 字段规定的优先级依次检查文件系统的完整性，修复可能的错误：

  • 0：不检查，常见于 swap、tmpfs、nfs 分区等非本地磁盘分区；
  • 1：优先检查，通常只给根分区 / 设为 1；
  • 2：次级检查，用于其他需要检查的分区，如 /home，/data 等。

这样可以保证在启动过程中，根分区最先被检查并修复，其他分区随后检查。

管理员也可手动运行：fsck /dev/sda1 来进行检查。但是请注意：

  1. 必须在分区未挂载时执行，否则可能会导致数据损坏。
  2. 如果只是想检查报告问题而不自动修复，可以加 -n 参数

LVM 逻辑卷管理机制

LVM（Logical Volume Manager）允许对磁盘进行 灵活管理：可以跨多个物理磁盘扩展卷组，动态调整逻辑卷大小，便于分区管理和快照操作。建立 LVM 的流程如下：

  1. 物理磁盘分为分区
  2. 将分区创建为物理卷（PV）
  3. 将物理卷整合为卷组（VG）
  4. 在卷组内创建逻辑卷（LV）

物理卷 PV

  • 创建：使用 pvcreate device 命令将磁盘/分区建立为物理卷。
  • 删除：若要删除物理卷，则使用 pvremove device 命令删除。删除前必须先从 VG 中移除。
  • 查看：使用 pvscan 命令查看系统中物理卷。pvdisplay 可查看更详细信息。

卷组 VG

  • 创建：使用 vgcreate [-s PE_size] vg_name pv_name1 [pv_name2] 命令建立卷组（PE_size 设置物理扩展大小，默认 4MB）。
  • 扩展：vgextend vg_name pv_name
  • 减少：vgreduce vg_name pv_name
  • 删除：vgremove vg_name 删除卷组。删除前需先删除其中所有 LV。
  • 查看：vgscan vgs vgdisplay 查看信息。

逻辑卷 LV

  • 创建：使用 lvcreate [-L vg_size] [-n lv_name] vg_name 建立逻辑卷。

    • 建立逻辑卷后，还需格式化和挂载才能使用。逻辑卷的设备文件名是 /dev/vg_name/lv_name。

  • 增大：lvresize -L new_size -r lv_name 修改逻辑卷大小，并同时调整文件系统大小。

  • 缩小：缩小逻辑卷较为复杂：

    • 卸载对应分区：umount mountpoint
    • 检查文件系统完整性：e2fsck -f /dev/vg_name/lv_name
    • 缩小文件系统：resize2fs /dev/vg_name/lv_name new_size
    • 缩小逻辑卷：lvresize -L new_size /dev/vg_name/lv_name
    • 重新挂载
  • 删除：lvremove /dev/vg_name/lv_name。删除前需先卸载。
  • 查看：lvscan lvdisplay 查看信息。

删除 LVM

若要删除 LVM，需按卸载分区，然后删除 LV，VG，PV 的顺序：

  • umount 卸载分区
  • lvremove 删除逻辑卷
  • vgremove 删除卷组
  • pvremove 删除物理卷卷标

RAID 磁盘阵列

RAID 介绍

RAID（Redundant Array of Independent/Inexpensive Disks）是一种通过多块磁盘组合提高 性能和/或冗余 的技术。常见类型：

RAID 0（带区卷 / Striping）

  • 数据分条写入多块磁盘，循环存储
  • 提高读写性能
  • 不提供冗余，任何一块磁盘故障都会丢失数据

RAID 1（镜像卷 / Mirroring）

  • 两块磁盘存储相同数据
  • 提供冗余，提高可靠性
  • 存储效率 50%

RAID 5（带奇偶校验的条带卷 / Striping with Parity）

  • 至少需要 3 块磁盘
  • 数据和校验信息分布存储
  • 可容忍一块磁盘故障，读性能高，写性能略低

还有 RAID 6（可容忍两块磁盘故障）、RAID 10（镜像+条带组合）等高级模式。

建立 RAID

  1. 建立分区：用 fdisk 创建每块磁盘的分区，建议设置相同大小

  2. 创建 RAID 阵列：

    mdadm --create --verbose /dev/md0 --level=5 --raid-devices=3 /dev/sd[b-d]1
    • --level：RAID 类型
    • --raid-devices：参与 RAID 的设备数量
    • /dev/md0：创建后的 RAID 设备名称

  3. 格式化并挂载 RAID：

    mkfs -t ext4 /dev/md0
mount /dev/md0 /mnt/raid

  4. 保存 mdadm 配置：确保开机自动组建 RAID

    mdadm --detail --scan >> /etc/mdadm/mdadm.conf

  5. 设置开机自动挂载：

    /dev/md0 /mnt/raid ext4 defaults 0 0