磁盘与文件系统管理

前言：磁盘（disk）

是指利用磁记录技术存储数据的存储器。磁盘是计算机主要的存储介质，可以存储大量的二进制数据，并且断电后也能保持数据不丢失。早期计算机使用的磁盘是软磁盘（soft disk，简称软盘），如今常用的磁盘是硬磁盘（hard disk，简称硬盘）。文件系统是操作系统用于明确存储设备（常见的是磁盘，也有基于NAND Flash的固态硬盘）或分区上的文件的方法和数据结构；即在存储设备上组织文件的方法。

1.磁盘基础：

1.1 硬盘的物理结构

硬盘的物理结构分为盘片和磁头
盘片：硬盘有多个盘片，每盘片2面
磁头：每面一个磁头
硬盘的数据结构分为扇区 磁道 柱面
扇区：盘片被分为多个扇形区域，每个扇区存放512字节的数据
磁道：通一盘片不同半径同心圆
柱面：不同盘片相同半径构成的圆柱面

1.2 磁盘结构

硬盘的存储容量=磁头数×磁道数×每道扇区数×每扇区字节数
可以用柱面/磁头/扇区来唯一定位磁盘上每一个区域
磁盘接口类型：IDE SATA SCSI SAS 光纤通道
常用的是 SATA SAS 光纤通道FC

1.3 一些接口的科普

2.MBR与磁盘分区管理：

MBR是主引导记录，位于硬盘第一个物理扇区处，MBR中包含硬盘的主引导程序和硬盘分区表，分区表有4个分区记录区，每个分区记录区占16个字节

2.1 硬盘的分区表示

常见的硬盘可以划分为主分区，扩展分区和逻辑分区，通常情况下主分区只有四个，而扩展分区可以看成是一个特殊的主分区类型，在扩展分区中可以建立逻辑分区。

Linux中将硬盘，分区等设备均表示为文件
硬盘：对于IDE接口的硬盘设备，表示为“hdX”形式的文件名。而对于SCSI接口的硬盘设备，则表示为“sdX”形式的文件名。其中"X"可以为a，b，c，d等字母序号。例如：将系统中的第一个IDE设备（硬盘）表示为“hda”，将第二个SCSI设备表示为“sdb”

分区：表示分区时，以硬盘设备的文件名作为基础，然后在后面添加该分区（主分区，扩展分区，逻辑分区）对应的数字序号即可。例如：第一个IDE硬盘中的第一个分区表示为"hda1"，第二个分区表示为"hda2"。第二个SCSI硬盘中的第三个分区表示为"sdb3"，第五个分区表示为"sdb5"

2.2 硬盘的分区结构

PS：硬盘中的主分区数目只有4个
因此主分区和扩展分区的序号也就限制在1-4
扩展分区再分为逻辑分区
逻辑分区的序号将始终从5开始

3.文件系统类型：

文件系统（File System）类型决定了向分区中存放，读取文件数据的方式和效率，在对分区进行格式化的时候需要选择所用的文件系统类型
在Windows操作系统中，经常使用的文件系统类型包括FAT32 , NTFS等格式

EXT4：第四代扩展文件系统，用于存放文件和目录数据的分区，是Linux系统中默认使用的文件系统。是典型的日志型文件系统，特点：保存有磁盘存取记录的日志数据，便于恢复，在存取性能和稳定性方面更加出色。

SWAP：交换文件系统用于Linux系统建立交换分区。交换分区的作用相当于虚拟内存，能够在一定程度上缓解物理内存不足的问题。一般建议将分区大小设置为物理内存的1.5~2倍

XFS：是一种高性能的日志文件系统，擅长处理大文件，支持上百万T字节的存储空间。

4.检测并确认新硬盘：

在Linux服务器中，当现有硬盘的分区规划不能满足要求（例如，根分区的剩余空间过少，无法继续安装新的系统程序）时，就需要对硬盘中的分区进行重新规划和调整，有时候还需要添加新的硬盘设备来扩展存储空间
实现上述操作需要用到fdisk磁盘及分区管理工具，fdisk是大多数Linux系统中自带的基本工具之一。
分区对应的系统ID号中，83表示Linux中的EXT4分区，8e 表示LVM逻辑卷

4.1 fdisk命令查看或管理磁盘分区

在硬盘设备中创建，删除，更改分区等操作同样通过fdisk命令进行，主要使用硬盘的设备文件作为参数。



“n”命令 新建分区
使用“n”指令可以进行创建分区的操作，包括主分区和扩展分区。 之后依次选择分区序号，
起始位置丶结束位置或分区大小即可完成分区的创建，根据提示输入“p”选择创建主分区。 输入“e”选择创建扩展分区。

4.2 下面是一个创建分区的小实验可跟做：

在硬盘中创建主分区sdb1。

创建第四个分区的时候要选择“e”，创建扩展分区。

在扩展分区中创建逻辑分区。

最后输入w保存配置。
sdb5分区应先通过fdisk工具将ID号设为82，以便后面将其设置为交换分区。

需要记得命令，可以查看分区情况

5.创建文件系统：

创建文件系统的过程也是格式化分区的过程，在Linux系统中使用mkfs（Make Filesystem，创建文件系统）命令格式可以格式化XFS , EXT4 ,FAT等不同类型的分区，而使用mkswap命令可以格式化Swap交换分区。

5.1 mkfs命令的使用

实际上 mkfs命令是一个前端工具，可以自动加载不同的程序来创建各种类型的分区，而后端包括有多个与mkfs命令相关的工具程序，这些程序位于/sbin/目录中，例如：支持XFS分区格式的mkfs.xfs程序等。

mkfs命令：Make Filesystem，创建文件系统(格式化)

5.2 查看mkfs

创建EXT4文件系统给sdb1分区创建文件系统（格式化），类型为ext4

5.3 mkswap命令

在Linux系统中，Swap分区的作用类似于Windows系统中的“虚拟内存”，可以在一定程度上缓解物理内存不足的情况。在当前Linux主机运行的服务较多，需要更多的交换空间支撑应用时，可以为其增加新的交换分区。

使用mkswap命令工具可以在指定的分区上创建交换文件系统，目标分区应先通过fdisk工具将ID号设为82.

6.挂载卸载文件系统：

在Linux系统中，对各种存储设备中的资源访问（如读取，保存文件等）都是通过目录结构进行的，虽然系统核心能够通过“设备文件”的方式操纵各种设备，但是对于用户来说，还需要增加一个“挂载”的过程，才能像正常访问目录一样访问存储设备中的资源。

当然，在安装Linux操作系统的过程中，自动建立或识别的分区通常会由系统自动完成挂载，如“/”分区，“boot”分区等。然而对于后来新增加的硬盘分区，光盘等设备，有时候还需要管理员手动进行挂载，实际上用户访问的是经过格式化后建立的文件系统。挂载一个分区时，必须为其制定一个目录作为挂靠点（或称为挂载点），用户通过这个目录访问设备中 的文件，目录数据。

6.1 mount命令：挂载系统

挂载文件系统个，ISO镜像到指定文件夹
文件系统类型通常可以省略，系统会自动识别
存储设备即对应分区的设备文件名（如/dev/sdb1 , /dev/cdrom)或网络资源路径
挂载点即用户指定用于挂载的目录

光盘对应的设备文件通常使用’/dev/cdrom’，其实这是一个连接文件，连接到实际的光盘设备’/dev/sr0’。这两个名称都表示光盘设备。由于光盘是只读的存储介质，因此在挂载时系统会出现’mounting read-only’的提示信息。

挂载Linux分区或U盘设备时的用法也一样，只需要指定正确的设备位置和挂载目录即可。

在Linux系统中，U盘设备被模拟成SCSI设备，因此与挂载普通的SCSI硬盘中的分区并没有明显的区别。U盘一般使用FAT16或FAT32的文件系统，若不确定U盘设备文件的位置，可以先执行‘fdisk -l’命令进行查看，确认。

proc，sysfs，tmpfs等文件系统是Linux运行所需要的的临时文件系统，并没有实际的硬盘分区与其相对应，因此也成为了’伪文件系统’。
例如：proc文件系统实际上映射了内存及CPU寄存器中的部分数据
在实际工作中，可能会经常从互联网中下载一些软件或应用系统的ISO镜像文件，在无法刻录光盘的情况下，需要将其解压后才能浏览，使用其中的文件数据。若使用mount挂载命令，则无需解开文件包即可浏览，使用ISO镜像文件中的数据。
ISO镜像文件通常被视为一种特殊的“回环”文件系统，因此在挂载时需要添加“-o loop”选项

6.2 unmount-卸载文件系统

卸载文件系统时，使用挂在单目录或对应设备的文件名作为卸载参数。
Linux系统中，由于同一个设备可以被挂载到多个目录下，所以一般建议通过挂载点的目录位置来进行卸载。

6.3 设置文件系统的自动挂载

系统中的/etc/fstab文件可以视为mount命令的配置文件，其中存储了文件系统的静态挂载数据，Linux系统在每次开机时，会自动读取这个文件的内容，自动挂载所指定的文件系统。

默认的fstab文件中包括了根分区，/boot分区，交换分区及proc，tmpfs等伪文件系统的挂载配置。

在/etc/fstab文件中，每一行记录对应一个分区或设备的挂载配置信息，从左到右包括六个字段，含义如下

通过在“/etc/fstab”文件中添加相应的挂载配置，可以实现开机后自动挂载指定的分区。

6.4 df命令-查看磁盘状况

不带选项和参数的mount命令可以显示分区的挂载情况，若要了解系统中已经挂载各文件系统的磁盘使用情况（如剩余磁盘空间等），可以使用df命令。
df命令使用文件或者设备作为命令参数，较常用的选项为“-h”"-T"。其中，“-h”选项可以显示更容易读的容量单位，而“-T”选项用于显示对应文件系统的类型。