基础文件系统管理学习笔记

一、认识 Linux 文件系统

1.1 磁盘文件名与磁盘分区

  • 物理特性：磁区（Sector）是最小物理存储单元，现代磁盘常见 512 字节与 4K 两种格式。多个磁区在物理上连续排列形成磁柱（Cylinder），磁盘读写以磁柱为单位进行寻址。例如，传统机械硬盘通过磁头沿磁柱移动实现数据读写，固态硬盘则通过闪存芯片的区块管理模拟类似机制。
  • 分区表格式
    • MSDOS（MBR）：磁盘首个磁区包含 446 字节的主要开机区（MBR Boot Code）和 64 字节的分区表。由于仅能记录 4 笔主分区信息，若需更多分区需通过扩展分区实现逻辑分区。其容量上限受限于 32 位地址空间，无法管理超过 2TB 的磁盘。
    • GPT：使用 34 个 LBA 区块记录分区信息，磁盘末尾 33 个 LBA 作为备份。支持创建 128 个以上分区，突破 2TB 容量限制，且每个分区记录可独立格式化。GPT 还引入 CRC 校验机制，提高分区表的可靠性。
  • 磁盘文件名：实体磁盘文件名遵循 /dev/sd[a-p] 规则（如 /dev/sda 表示第一块 SCSI/SATA 磁盘），虚拟磁盘（如 KVM 或 VMware 环境）使用 /dev/vd[a-p] 命名。软件磁盘阵列（如 mdadm）或 Intel 主板内置阵列磁盘，文件名会增加阵列编号，如 /dev/md126 代表第 126 号软件阵列设备。

1.2 Linux 的 EXT2 文件系统

  • 文件系统组成
    • superblock：存储文件系统全局元数据，包括 inode 总数、已用 / 可用数量、block 总量、文件系统类型、挂载选项等。系统启动时会加载 superblock 信息，若其损坏将导致文件系统无法挂载。
    • inode：每一个inode大小固定、每个文件对应唯一 inode，记录文件存取模式（rwx）、所有者与群组、文件容量、修改时间、数据块位置、文件真正内容指向（指针）等属性。inode 不存储文件名，文件名通过目录项与 inode 关联。
    • block：实际存储文件内容，block大小和数量在格式化后不能更改，常见大小为 1KB、2KB 或 4KB。一个block最多放置一个文件的内容。大文件会占用多个连续或离散的 block，通过 inode 中的指针记录其分布。
  • 文件操作流程
    • 读取文件：系统先通过目录项找到对应 inode 编号，检查权限后读取 inode 中记录的 block 位置，将数据加载到内存缓冲区。
    • 新建文件：从空闲 inode 列表中分配一个 inode，写入文件属性；在空闲 block 中写入数据，更新 inode 指向的 block 列表，并同步 superblock 中 inode/block 使用计数。
    • 删除文件：将 inode 和 block 标记为空闲状态，更新 superblock 统计信息。若存在硬链接，仅删除文件名与 inode 的关联，实际数据保留直到所有链接被删除。

1.3 目录与文件名

目录本质是一种特殊文件，创建时分配一个 inode 和至少一个 block。

inode 记录目录权限、所有者等属性，block 存储目录项（文件名与 inode 编号的映射关系）。用户通过文件名访问文件时，系统先解析目录项找到对应 inode，再通过 inode 读取数据。例如，/etc/passwd 文件路径解析过程中，系统依次查找根目录 /、etc 目录、最终定位到 passwd 文件的 inode。

目录的重要性就是记载文件名和对应的inode。

1.4 ln 链接文件的应用

  • 目录链接数：每个目录默认有两个硬链接（. 和 ..），创建子目录时，父目录的链接数自动加 1。例如，在 /home/user 目录下创建 test 子目录后，/home/user 的链接数从 2 变为 3。
  • ln 指令（也许看做快捷方式）
    • 硬链接：使用 ln 源文件 目标文件 创建，两个文件共享同一 inode，修改任一文件内容会同步更新。硬链接无法跨文件系统创建，常用于备份重要文件或节省磁盘空间。
    • 符号链接：使用 ln -s 源文件 目标文件 创建，类似 Windows 快捷方式。符号链接包含源文件路径字符串，删除源文件后链接失效，可跨文件系统创建。

1.5 文件系统的挂载

文件系统需挂载到目录树的空目录（挂载点）才能访问。使用 df -hT 命令可查看当前系统挂载情况，输出包含文件系统类型、大小、使用量、挂载点等信息。例如：

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2
文件系统        类型      容量  已用  可用  已用%  挂载点
/dev/sda2      xfs      50G   20G  30G   40%    /

挂载时需注意：挂载点必须为空目录；同一文件系统不可重复挂载；单个目录不能同时挂载多个文件系统。

二、文件系统管理

2.1 建立分割

  • 判断磁盘信息：
    • 在建立分割之前，需要先判断：(1)目前系统内的磁盘文件名与(2)磁盘目前的分割格式。
    • 使用 lsblk 命令列出系统所有块设备及其分区结构，parted /dev/sda print 可查看 /dev/sda 的分区表类型（GPT 或 MBR）及详细分区信息。
  • 使用 fdisk 分割：在Linux中，fdisk 支持 GPT 和 MSDOS 分区表。常用操作：
    • n：新建分区
    • p：打印分区表
    • w：保存并退出
    • q：放弃修改并退出

2.2 创建文件系统（磁盘格式化）

使用 mkfs 命令创建文件系统：

  • mkfs.xfs /dev/sda1：格式化为 XFS 文件系统
  • mkfs.vfat /dev/sdb1：格式化为 FAT32 文件系统
  • mkswap /dev/sdc1：创建 swap 空间
  • 使用block查询每个设备文件系统与UUID信息

挂载时建议使用 UUID，避免因磁盘设备名变动（如添加新磁盘导致设备名重排）影响挂载。例如，在 /etc/fstab 中配置 UUID 挂载：

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UUID=xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx /data xfs defaults 0 0

2.3 文件系统的挂载 / 卸载

  • 挂载方式：mount 命令支持多种挂载方式：
    • 按设备名挂载：mount /dev/sda1 /mnt/data
    • 按 UUID 挂载：mount UUID=xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx /mnt/data
    • 按 LABEL 挂载：mount LABEL=DATA /mnt/data
  • 卸载操作：使用 umount /mnt/data 卸载文件系统，swapoff /dev/sda2 关闭 swap 分区。若无法卸载，可通过 lsof | grep /mnt/data 查找占用该目录的进程，终止进程后重试。

2.4 开机自动挂载

系统启动时自动挂载配置存储在 /etc/fstab 文件，格式如下：

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2
# <文件系统>        <挂载点>      <文件系统类型>  <挂载选项>  <dump>  <fsck>
UUID=xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxx /data    xfs       defaults        0       0
  • 建议使用 UUID 标识设备，避免设备名变动导致挂载失败
  • defaults 表示使用默认挂载选项，可替换为 ro（只读）、noauto（不自动挂载）等
  • 在 RockyLinux 9.x 的 XFS 文件系统中，dump 和 fsck 通常设为 0

三、开机过程文件系统问题处理

3.1 文件系统的卸载与移除

卸载并回收文件系统步骤：

  1. 使用 lsof 确认文件系统无进程占用
  2. 从 /etc/fstab 移除自动挂载配置
  3. 清空 superblock：dd if=/dev/zero of=/dev/sda4 bs=1M count=10
  4. 使用 gdisk /dev/sda 删除分区

3.2 启动过程文件系统错误的救援

修改 /etc/fstab 后未测试可能导致开机失败。若根目录配置错误，系统无法正常启动；普通目录错误可进入单用户维护模式。救援步骤：

  1. 重启系统，在 GRUB 菜单中编辑内核启动参数，添加 rd.break 进入救援模式
  2. 挂载根文件系统：mount -o remount,rw /sysroot
  3. 使用 journalctl -xb 查看启动日志，定位错误原因
  4. 修复 /etc/fstab 文件后，重新挂载根文件系统并退出救援模式：
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2
mount -o remount,ro /sysroot
exit