Linux磁盤和文件系統

當我們拿到一塊全新的磁盤的時候，我們並不能直接使用，而是需要經過分區、格式化、掛載後，才能被操作系統識別並寫入和讀取數據。不同的操作系統的文件系統有所不同，因此對磁盤的劃分方式也不一樣。

一.磁盤

1.結構

在計算機領域，磁盤是現在使用最多、性價比最高的存儲介質。隨着存儲技術的不斷髮張，磁盤又分爲機械硬盤和固態硬盤。機械硬盤主要由：盤片、磁頭、盤片轉軸和磁頭控制器、數據轉換器、接口等幾部分組成。數據存儲在盤片上，在電機的帶動下盤片高速旋轉，每個盤片的存儲面上有一個磁頭，磁頭負責對盤片上數據的寫入和讀取。因此，電腦突然斷電會使得正在寫入的文件完整性被破壞，日常使用中應該防止電腦突然斷電。
磁盤結構如圖所示：

磁頭：(head) 負責讀取和寫入數據到盤片上，每一個盤面對應一個磁頭
磁道：(track) 把磁盤劃分爲許多同心圓，從外到裏依次編號爲0-1023
扇區：(sector) 把磁道劃分爲很多扇區，是爲磁盤的最小存儲單元，每一個扇區爲512bytes
柱面：(cylinder) 同一磁盤的所有盤片圓心都在轉軸上，每一個盤面的相同編號磁道共同組成柱面，例如所有盤面的0磁道組成了0柱面。

2.磁盤的尋址方式

磁盤的尋址方式可分爲CHS和LBA。
CHS

採用24bit尋址，因此最大尋址空間爲2^24*512byte=8GB
地址的前10bit表示柱面(cylinder)，因此柱面的最大數量爲：2^10=1024  
中間8bit爲磁頭(head)，磁頭數等於盤面數，最大盤面數爲：2^8=256
最後6bit爲扇區(sector)，每一磁道可劃分的扇區數爲2^6=64

LBA

LBA是一個整數，通過轉換成CHS格式完成磁盤具體尋址，採用48bit尋址，因此最大空間支持128PB

因此，當磁盤容量小於8GB時，使用CHS或LBA尋址方式都可以。但磁盤容量大於8GB時，只能使用LBA尋址方式。

二.磁盤分區

對磁盤的結構和尋址方式有了一定了解以後，接下來我們就可以對磁盤進行分區了。

1.分區方式

分區方式包括：MBR和GPT
MBR

MBR：Master Boot Record，於1982年發佈，使用32bit標識扇區數，最大分區爲2T，按柱面劃分。其中整塊磁盤的第0磁道第0扇區記錄了OS引導程序和分區信息，因此這一塊扇區對整塊磁盤是很重要的。

 0磁道0扇區：512bytes
            446bytes：boot loader
            64bytes：分區表，每16bytes標識一個分區，因此MBR最多可劃分爲
                            4個主分區或者3主分區+1擴展(擴展可分爲n個邏輯分區)

GPT

GPT：GUID partition table 支持128個分區，無主次之分。採用128bit表示磁盤和分區GPT分區表，自動備份在頭和尾，相比於MBR而言，GPT可以適應更大級別的數據量和具有分區信息備份功能。

2.linux中的分區方法

在linux系統中，對SCSI、SATA、SAS接口的硬盤都命名爲sd，後面跟上a,b,c,d…來命名，同一塊銀盤的不同分區則詞用1,2,3…來區別命名。
lsblk

lsblk命令用於列出塊設備信息，查看磁盤是夠已經被OS識別。
[root@centos7~]#lsblk
NAME   MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda      8:0    0  200G  0 disk 
├─sda1   8:1    0    1G  0 part /boot
├─sda2   8:2    0   50G  0 part /
├─sda3   8:3    0   30G  0 part /data
├─sda4   8:4    0    1K  0 part 
└─sda5   8:5    0    3G  0 part [SWAP]
sdb      8:16   0   20G  0 disk 
sr0     11:0    1  3.7G  0 rom  /media/cdrom

parted

parted命令用於對磁盤分區的劃分，其操作都是實時生效的，因此使用的時候應該慎重。
parted /dev/sdb mklabel gpt|msdos  指定磁盤爲MBR或GPT
parted /dev/sdb print              打印磁盤分區信息到屏幕上
parted /dev/sdb mkpart primary     創建分區，默認單位爲M
parted /dev/sdb rm 1               刪除分區 1

fdisk和gdisk

gdisk是一個類fdisk的GPT分區工具，其使用方法和fdisk一樣
fdisk -l [-u] [device] 查看分區
fdisk /dev/sda 之後將進入交互界面
fdisk子命令：
   p 分區列表 
   t 更改分區類型 
   n 創建新分區 
   d 刪除分區 
   v 校驗分區 
   u 轉換單位 
   w 保存並退出 
   q 不保存並退出

分區完成後，需要通過以下命令同志內核重新讀取硬盤分區表

查看內核是否已經識別新的分區：

cat /proc/partitions

centos6通知內核重新讀取硬盤分區表

新增分區用
partx -a /dev/DEVICE
kpartx -a /dev/DEVICE -f: force
刪除分區用
partx -d --nr M-N /dev/sdb

CentOS 5，7: 使用partprobe
partprobe /dev/sdb

三.文件系統
文件系統是操作系統用於明確存儲設備上的文件和數據結構，負責管理和存儲數據的軟件結構。不同的操作系統有不同的文件系統，以下是linux中常見的文件系統：

ext2:適用於那些分區容量不是太大，更新也不頻繁的情況，例如 /boot 分區。
ext3:是 ext2 的改進版本，其支持日誌功能，能夠幫助系統從非正常關機導致的異常中恢復。它通常被用作通用的文件系統
ext4:是 ext 文件系統的最新版。提供了很多新的特性，包括納秒級時間戳、創建和使用巨型文件(16TB)、最大1EB的文件系統，以及速度的提升
xfs：SGI，支持最大8EB的文件系統
swap: linux中的交換內存，採用一塊硬盤分區作爲swap分區，物理內存會將使用頻率不高的文件放到swap中。

爲新分區創建文件系統

mkfs

mkfs.FS_TYPE /dev/DEVICE 其中FS_TYPE爲文件系統
mkfs -t FS_TYPE /dev/DEVICE 也可以用-t後面加上文件系統
    -L : 設定卷標

mke2fs

mke2fs是ext系列文件系統專用管理工具
-t {ext2|ext3|ext4} 指定文件系統
-b {1024|2048|4096} 指定分區中一個塊的大小
-L 'LABEL'          指定卷標
-j: 相當於 -t ext3
-i #: 爲數據空間中每多少個字節創建一個inode；此大小不應該小於block的大小
-N #：指定分區中創建多少個inode
-I :單個inode記錄佔用的磁盤空間大小，128---4096
-m #: 默認5%,爲管理人員預留空間佔總空間的百分比
-O FEATURE[,...]：啓用指定特性
-O ^FEATURE：關閉指定特性

tune2fs

tune2fs用來重新設定ext系列文件系統可調整參數的值
-l：查看指定文件系統超級塊信息；super block
-L 'LABEL'：修改卷標
-m #：修預留給管理員的空間百分比
-j: 將ext2升級爲ext3
-O: 文件系統屬性啓用或禁用, –O ^has_journal
-o: 調整文件系統的默認掛載選項，–o ^acl
-U UUID: 修改UUID號
dumpe2fs：
塊分組管理，32768塊
-h：查看超級塊信息，不顯示分組信息

四.掛載

當我們完成了對硬盤創建文件系統之後，最後一步掛載之後我們就可以愉快的使用新硬盤了。

掛載：將額外文件系統與根文件系統某現存的目錄建立起關聯關係，進而使得此目錄做爲其它文件訪問入口的行爲

mount

mount 查看當前已掛載的所有設備
mount DEVICE MOUNT_POINT 
其中DEVICE爲要掛載的設備。
       1.設備文件，例如/dev/sdb2
       2.卷標，例如-L '/mnt/sda1'
       3.UUID，設備的唯一標識，128bit
MOUNT_POINT爲掛載點，一般爲一個空文件夾。

mount常用命令選項
-o options：(掛載文件系統的選項)，多個選項使用逗號分隔
async：異步模式 sync：同步模式,內存更改時，同時寫磁盤
atime/noatime：包含目錄和文件
diratime/nodiratime：目錄的訪問時間戳
auto/noauto：是否支持自動掛載,是否支持-a選項
exec/noexec：是否支持將文件系統上運行應用程序
dev/nodev：是否支持在此文件系統上使用設備文件
suid/nosuid：是否支持suid和sgid權限
remount：重新掛載
ro：只讀 rw：讀寫
user/nouser：是否允許普通用戶掛載此設備，/etc/fstab使用
acl：啓用此文件系統上的acl功能
loop: 使用loop設備
defaults：相當於rw, suid, dev, exec, auto, nouser, async

卸載

umount DEVICE
umount MOUNT_POINT

以上命令的掛載在系統重啓之後會失效，永久掛載的話需要把掛載信息寫入/etc/fstab中

/etc/fstab每行定義一個要掛載的文件系統，每一列則爲不同的選項。

tmpfs                   /dev/shm                                  tmpfs   defaults        0 0  
1                         2                                                    3        4                5 6

1、要掛載的設備或僞文件系統
設備文件
LABEL：LABEL=""
UUID：UUID=""
僞文件系統名稱：proc, sysfs
2、掛載點
3、文件系統類型：ext4,xfs,nfs,none
4、掛載選項：defaults ，acl，bind
5、轉儲頻率：0：不做備份 1：每天轉儲 2：每隔一天轉儲
6、fsck檢查的文件系統的順序：允許的數字是0, 1, 和2
    0：不自檢
    1：首先自檢；一般只有rootfs才用
    2：非rootfs使用

完成以上幾部，我們就可以愉快的使用新硬盤了，但對於硬盤更高級的掛載和文件系統的設置，使得硬盤上的數據更加安全，則需要更深入的學習和掌握。

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