【Linux】Ext系列文件系统_磁盘介绍

mo_sheng_sli

455人浏览 · 2026-03-05 21:42:58

mo_sheng_sli · 2026-03-05 21:42:58 发布

hello~ 很高兴见到大家! 这次带来的是Linux系统中关于Ext系列文件系统这部分的一些知识点,如果对你有所帮助的话,可否留下你宝贵的三连呢?
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一、理解硬件---磁盘

一、理解硬件—磁盘

我们可以讲文件分为两类，一类是已经打开的文件，它们被OS加载到了内存里面，而另一类文件就是没有打开的文件，文件在没有被打开时都是老老实实地呆在磁盘/硬盘里面的。

1.1 磁盘、服务器、机柜、机房

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以上两个图片就是机械磁盘HDD，它与现在笔记本经常用到的SSD（固态硬盘）不同。机械磁盘的造价要更低，而SSD它的速度要更快，毕竟完完全全是电子结构。对于需要大容量存储的企业，机械磁盘是上选。图片1是封存好的一个机械磁盘，机械磁盘造完之后必须密封，里面不能有一丝灰尘，而图二是掀开金属板之后它里面的一个构造。
机械磁盘是计算机里面唯一的一个机械机构。它的读写靠盘片告诉旋转（5400/7200转/分），磁头用来读写。

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这是一台服务器的照片，服务器是一个24小时不关机、负责存东西、跑程序、让别人能随时访问的超级可靠电脑。可以看到图中服务器共有24个如红圈圈出来的小格子，这些小格子都是能够像抽屉一样能被拉出来的，里面要存放的就是我们刚才所说的机械磁盘。

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4.左边这个照片就是机柜，它里面放着的是上面所讲到的服务器。所谓企业级数据中心机房就放满了这种装满了服务器的机柜。机房能够提供海量数据存储和强大的算力，但它的维护成本也十分高昂，散热和电费等等都是问题。

1.2 磁盘物理结构

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磁盘磁盘，为什么要叫做磁盘？有没有想过磁盘是如何存储数据的？对于计算机来说，要存储的数据只有0和1，而磁盘上面分布着无数的小磁铁，它的物理形态又是一个圆盘，合起来就是一个涂满了磁性材料的圆形盘片。改变这些小磁铁的南北指向就能够修改存储的数据，修改这方面的工作由磁头担任，至于如何修改？由于电磁不分家，就是用电改的，注意磁头是没有挨着磁盘的，而是有着一点点的距离，靠磁头隔空读写。

不能挨着也是有原因的，因为不能有摩擦，磁盘转的太快了，磁头如果挨着就很容易产生高温。而像磁铁这种有磁性的东西都是很怕高温的，因为会被消磁，磁盘要是被消磁数据就会丢失了。所以磁盘是不适合搬来搬去的，震荡可能会导致磁头碰到磁盘，这也是磁盘不适合用于笔记本的一个原因。

介绍一下其他器件的作用：

主轴（马达）：位于盘片中心，负责带动盘片高速旋转（常见转速有 5400 转 / 分、7200 转 / 分），让磁头能在不同位置读写数据。
磁头臂：像一个机械手臂，带动磁头在盘片上方移动，精准定位到需要读写的位置。
永磁铁：为磁头臂的运动提供稳定的磁场，帮助磁头精准定位。

1.3 磁盘的存储结构

磁道、柱面、扇区

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当盘片高速旋转时，磁头会在盘片上面划出一圈圈同心圆，这些同心圆就是磁道。一个标准的 3.5 英寸磁盘，盘片上通常有数千到数万个这样的磁道。磁道是从盘片外圈往内圈进行编号0磁道、1磁道…靠近主轴的同心圆用于停靠磁头，不存储数据。
每一圈磁道又会被分为多个等长的弧段，这些弧段就是所谓扇区。它们是磁盘的最小物理存储单位，一个扇区的存储大小通常是512字节，这意味着所有IO操作都是要以512字节为单位进行存储。虽然离圆心越近，这个扇区就会越小，但我们认为，所有扇区的存储大小都一样。且每圈磁道上面的扇区个数是一样的。
一个盘片是有两面的，它不像光盘那样只有一面存储数据，而是正反两面都会存储数据。而且一般的磁盘不只有一个盘片，如上图，这个磁盘就有3个盘片，6个盘面用来存储数据。对于这六个盘面，它们所有半径相同的磁道在空间上就构成了一个柱面。
磁盘容量 = 磁头数 * 磁道数 * 每道扇区数 * 每扇区存储大小。

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一个盘面对应一个磁头，有多少个盘面就有多少个磁头。所以多个盘面的样子应该如图b那样。6个面就会有6个磁头。
所有盘面共旋转，所有磁头共进退。因为所有盘片都固定在同一根主轴上，由同一个马达驱动。而所有磁头都安装在同一组磁头臂上。

CHS寻址方式

如果我想向一个扇区写入大小为512字节的数据，应该怎么写进去？
想要往某个扇区写入数据，那么一定要找到目标扇区，如果我们能够定位一个扇区，也就意味着能够定位任意多个扇区，毕竟文件=内容+属性，而内容和属性无非都是数据。所以我们应该如何找到目标扇区？

通过对磁盘结构的了解，找某个扇区我们可以先定位磁头（磁头编号），知道要往哪个盘面上写，再定位这个盘面上的几号磁道，最后找到这个磁道上面的目标扇区。但是实际中应用的不是这种方法。因为所有盘面共旋转，所有磁头共进退。磁头臂一动，所有磁头就一起移到同一半径上，也就是我们说的同一个柱面，先确定柱面，然后再确定磁头，最后确定扇区，效率比较高。这种寻址方法叫做CHS寻址方式。

1.4 磁盘的逻辑结构

1. 理解过程

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磁带盘有两个圆盘，上面缠着磁带，放音频的时候就把磁带从一个圆上的磁带缠到另一个磁带上面。这个缠有磁带的圆盘是不是就很像磁盘？如果我们将磁带都拉出来，就会形成一条长长的带子。那么我们是不是可以将磁盘想象成一个缠着磁带的圆盘，每一圈就是一圈磁道，同时也可以将这些磁道拉出来，形成一条长长的“磁带”。

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对于其他的盘面也是一样，想象成一卷磁带然后把它们拉出来形成线性结构，如图，是不是就很像一个数组？这个数组的元素就是扇区，这样我们就能通过数组下标去标记每一个扇区了。这样我们就拥有了一个线性地址，我们把它称为LBA。
但这个抽象过程是有瑕疵的，只是方便理解。

2. 真实过程

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我们之前提到过CHS寻址方式是先定位到目标柱面，现在，我们要将有多个盘片的磁盘看作一个整体，不以盘面作为分割单位，而是以柱面作为分割单位。这个磁盘就是以成千上万的柱面组成的。
所以我们的抽象过程也要做出一些改变，不是以盘面为单位拉出磁带，而是以柱面为单位。

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一个柱面有多个半径相同的磁道，对柱面上的每一个磁道进行展开，然后把它们放在一起，由于每一个磁道上面的扇区数量都是一样的。所以这不就是一个二维数组吗？！

二维数组长方形的样子只是我们逻辑构思出来的，其实存储的时候是连在一起的长条。就是一个一维数组。

而由于一个磁盘有成千上万的柱面，而每一个柱面都可以抽象成一个二维数组，把这些二维数组组合在一起不就是一个三维数组了吗？所以柱面其实就是一个二维数组，而磁盘就是一个三维数组。这个三维数组对应的一组数字就是CHS地址。

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上面也讲过，无论是二维数组还是三维数组，在存储的时候都是一个一维数组，所以每一个扇区都有一个数组下标，我们将这个地址叫做LBA地址，也就是线性地址。
对于OS来说，它只用使用LBA地址就好，根本不用关心磁盘里面长什么样，CHS地址与LBA地址之间的转换由磁盘来做，磁盘根据CHS地址寻找扇区，OS利用LBA地址对目标文件进行IO操作。这样一来，无论磁盘结构怎么变，操作系统都能够统一使用，非常方便。

1.5 LBA地址 && CHS地址

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1. CHS转成LBA

单个柱面的扇区总数 = 磁头数 × 每磁道扇区数。
LBA = 柱面号 C × 单个柱面的扇区总数 + 磁头号 H × 每磁道扇区数 + 扇区号 S - 1。
即 LBA = 柱面号 C × (磁头数 × 每磁道扇区数) + 磁头号 H × 每磁道扇区数 + 扇区号 S - 1。
扇区号通常从 1 开始，LBA 地址从 0 开始。这是为什么以上公式-1的原因。
柱面和磁道都从 0 开始编号。
总柱面、磁道个数、扇区总数等信息由磁盘内部自动维护，上层开机时会获取这些参数。