Linux磁盘分区及文件系统管理详解
磁盘，提供持久的数据存储，它不像我们的内存，如果突然断电了，在内存中的数据一般都会被丢掉了，内存中的数据在保存的时候，会被写到硬盘里面，磁盘也是一种I/O设备。
我们都知道磁盘分区完成之后，还要进行格式化，这个格式化操作就是指定文件系统，文件系统的本质就是对一个存储设备上的元数据和数据就行组织，最终把数据有组织的放在可以长期存储的设备中。
本文主要是介绍可Linux中的磁盘分区和文件系统管理。
磁盘的接口类型：
IDE：一种较老的接口技术，价格低廉，兼容性强，传输速度可达133MB/s；
SCSI：主要应用于中、高端服务器中，支持热拔插，价格较高，其中UltraSCSI可达320MB/S，UltraSCSI640可达640MB/S；
SCSI接口
SATA：主要用于PC上，串口硬盘，可达6gbps；
SAS：是一种串行链接的SCSI接口技术，向下兼容SATA，速度快；
USB：一种便携的存储设备，USB3.0理论最大传输速度可达500MB/s，现在最新的USB3.1Gen 2最高可达10Gbps。
并口和串口的区别：
并口：同一线缆可以接多块设备，IDE和SCSI为并口硬盘；
串口：同一线缆只可以接一个设备，SATA、SAS和USB为串口，抗干扰能力强。
我们都知道作为linux的哲学思想之一，一切皆文件，在linux中使用设备文件来标识不同的硬盘，也就是设备的访问接口，在Linux中I/O设备分为2倍，字符设备和块设备，基于不同的功能进行分类的：
（1）字符设备：线性访问的，数据的交换单位是“字符”，提供的连续的数据流，不支持随机存取，举例来说，键盘、调制解调器都是典型的字符设备；
（2）块设备：可以提供随机访问，数据交换的单位是“块”，硬盘、CD-ROM驱动器都是典型的块设备，应用可以寻址磁盘上的任何位置，并读取数据。
在Linux系统中，c代表字符设备，b为块设备（红色部分标识）。
后面黄色标注的两行为设备号：
主设备号：左列，区分设备类型，用于标明设备所需要的驱动程序；
次设备号：右列，区分同种类型下的不同的设备。
mknod命令
mknod可以创建设备文件，格式如下：
mknod [OPTION]... NAME TYPE [MAJOR MINOR] 选项： -m MODE：创建后的设备文件的访问权限
mknod /dev/ttyUSB32 c 188 32
linux的设备文件都是放在/dev目录下的，应用程序可以通过这些设备文件完成都设备的读写等操作。之前写过设备都有主次设备号，linux有约定俗成的编号，如硬盘的主设备号在CentOS6和7中为8：
根据接口类型的不同，设备的文件名命令也有一些规定，在centos如下：
在引用设备的时候可以通过以下三种方式：
1.设备文件名，也就是/dev目录下的文件名；
2.系统卷标（volume label）；
3.UUID，唯一表示码，能够唯一的表示一个设备。
MBR和GPT
一块磁盘是可以被分割成多个分区，从Windows的角度来看，就是C,D,E分区。磁盘分区的方式有MBR和GPT。
MBR（Master Boot Record）
总共大小为512字节，存在于磁盘的第0个扇区。
446bytes：引导启动操作系统的程序；
64bytes：分区表，每16bytes标识一个分区，一共能够有4个主分区，但是如果想划分更多的区，可以指定扩展分区，比如分为3个主分区，一个扩展分区，而扩展分区可以划分为若干个逻辑分区。
综上所述，如果使用MBR分区，就必须至少有一个扩展分区，然后将扩展分区分成逻辑分区，逻辑分区的序号从5开始。
GPT（GUID Partition Table）：
MBR是另一种分区方式：
1)：GPT分区表中最多可以支持128个主分区
2)：突破了MBR单个分区只能是2.2T的限制，最大支持1EB容量
在GPT中主分区、扩展分区和模糊分区的概念就淡化了很多。
分区工具
fidisk
1.查看磁盘分区
fdisk -l device...：查看指定磁盘设备的分区情况
2.管理分区
fdisk为MBR方式的分区工具，提供了交互式的接口来管理分区所有的操作，都是在内存中完成的，当使用w保存的时候，才真正去创建或修改分区。
fdisk device
我们来试试，可以看到使用fdisk加设备名，就进入到了一个交互式的界面，输入m即可获得帮助：
[root@localhost ~]# fdisk /dev/sdb 欢迎使用 fdisk (util-linux 2.23.2)。 更改将停留在内存中，直到您决定将更改写入磁盘。 使用写入命令前请三思。 Device does not contain a recognized partition table 使用磁盘标识符 0x3918c6ef 创建新的 DOS 磁盘标签。 命令(输入 m 获取帮助)：m 命令操作 a toggle a bootable flag b edit bsd disklabel c toggle the dos compatibility flag d delete a partition <=======删除已有分区 g create a new empty GPT partition table G create an IRIX (SGI) partition table l list known partition types <======列出已知的分区类型 m print this menu <=======查看帮助信息 n add a new partition <=======创建新的分区 o create a new empty DOS partition table p print the partition table <======显示现有分区信息 q quit without saving changes <======不保存退出 s create a new empty Sun disklabel t change a partition's system id <========修改分区类型 u change display/entry units v verify the partition table w write table to disk and exit <========保存并退出 x extra functionality (experts only)
举个例子：现在新加了一块120G的磁盘，分为3个主分区，每个区20G，余下的空间都给扩展分区并添加一个20G的逻辑分区。
[root@localhost ~]# fdisk /dev/sdb
欢迎使用 fdisk (util-linux 2.23.2)。
更改将停留在内存中，直到您决定将更改写入磁盘。
使用写入命令前请三思。
Device does not contain a recognized partition table
使用磁盘标识符 0x3918c6ef 创建新的 DOS 磁盘标签。
命令(输入 m 获取帮助)：n
Partition type:
p primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
e extended
Select (default p): p
分区号 (1-4，默认 1)：1
起始 扇区 (2048-251658239，默认为 2048)：
将使用默认值 2048
Last 扇区, +扇区 or +size{K,M,G} (2048-251658239，默认为 251658239)：+20G
分区 1 已设置为 Linux 类型，大小设为 20 GiB
命令(输入 m 获取帮助)：n
Partition type:
p primary (1 primary, 0 extended, 3 free)
e extended
Select (default p): p
分区号 (2-4，默认 2)：2
起始 扇区 (41945088-251658239，默认为 41945088)：
将使用默认值 41945088
Last 扇区, +扇区 or +size{K,M,G} (41945088-251658239，默认为 251658239)：+20G
分区 2 已设置为 Linux 类型，大小设为 20 GiB
命令(输入 m 获取帮助)：n
Partition type:
p primary (2 primary, 0 extended, 2 free)
e extended
Select (default p): p
分区号 (3,4，默认 3)：
起始 扇区 (83888128-251658239，默认为 83888128)：
将使用默认值 83888128
Last 扇区, +扇区 or +size{K,M,G} (83888128-251658239，默认为 251658239)：+20G
分区 3 已设置为 Linux 类型，大小设为 20 GiB
命令(输入 m 获取帮助)：n
Partition type:
p primary (3 primary, 0 extended, 1 free)
e extended
Select (default e): e
已选择分区 4
起始 扇区 (125831168-251658239，默认为 125831168)：
将使用默认值 125831168
Last 扇区, +扇区 or +size{K,M,G} (125831168-251658239，默认为 251658239)：
将使用默认值 251658239
分区 4 已设置为 Extended 类型，大小设为 60 GiB
命令(输入 m 获取帮助)：n
All primary partitions are in use
添加逻辑分区 5
起始 扇区 (125833216-251658239，默认为 125833216)：
将使用默认值 125833216
Last 扇区, +扇区 or +size{K,M,G} (125833216-251658239，默认为 251658239)：+20G
分区 5 已设置为 Linux 类型，大小设为 20 GiB查看分区情况：
[root@localhost ~]# fdisk -l /dev/sdb 磁盘 /dev/sdb：128.8 GB, 128849018880 字节，251658240 个扇区 Units = 扇区 of 1 * 512 = 512 bytes 扇区大小(逻辑/物理)：512 字节 / 512 字节 I/O 大小(最小/最佳)：512 字节 / 512 字节 磁盘标签类型：dos 磁盘标识符：0x3918c6ef 设备 Boot Start End Blocks Id System /dev/sdb1 2048 41945087 20971520 83 Linux /dev/sdb2 41945088 83888127 20971520 83 Linux /dev/sdb3 83888128 125831167 20971520 83 Linux /dev/sdb4 125831168 251658239 62913536 5 Extended /dev/sdb5 125833216 167776255 20971520 83 Linux
parted
这个工具既可以做MBR的分区，又可以做GPT的分区，主要时候用来做GPT的。
1.查看分区情况:
parted -l device （亲测：竟然也可以使用fdisk -l指定设备查看）
2.管理分区
parted也提供了交互式的接口来管理分区，输入help查看帮助，我们来看一下：
[root@localhost ~]# parted
GNU Parted 3.1
使用 /dev/sda
Welcome to GNU Parted! Type 'help' to view a list of commands.
(parted) help
align-check TYPE N check partition N for TYPE(min|opt) alignment
help [COMMAND] print general help, or help on COMMAND
mklabel,mktable LABEL-TYPE create a new disklabel (partition table)
mkpart PART-TYPE [FS-TYPE] START END make a partition
name NUMBER NAME name partition NUMBER as NAME
print [devices|free|list,all|NUMBER] display the partition table, available devices, free space, all found
partitions, or a particular partition
quit exit program
rescue START END rescue a lost partition near START and END
rm NUMBER delete partition NUMBER
select DEVICE choose the device to edit
disk_set FLAG STATE change the FLAG on selected device
disk_toggle [FLAG] toggle the state of FLAG on selected device
set NUMBER FLAG STATE change the FLAG on partition NUMBER
toggle [NUMBER [FLAG]] toggle the state of FLAG on partition NUMBER
unit UNIT set the default unit to UNIT
version display the version number and copyright information of GNU Parted
(parted)
（看起来比fdisk麻烦多了）
我们来举个例子来说明parted的使用方法：
1）首先选择要分区的设备，使用select Device
(parted) select /dev/sdc
使用 /dev/sdc2）选择分区格式为GPT
mklabel gpt
下面是命令的使用帮助
(parted) help mklabel
mklabel,mktable LABEL-TYPE create a new disklabel (partition table)
“标签类型”是以下任意一项：aix, amiga, bsd, dvh, gpt, mac, msdos, pc98, sun, loop3）使用mkpart分区时，不需要指定分区的数字标识（在MBR中可能要指定1-4或更多），可以直接给它加上名称，这说明在GPT分区的情况下，主分区扩展分区已经变得不那么重要了，分区的起始点最好从1开始
(parted) mkpart 分区名称？ []? my_data1 文件系统类型？ [ext2]? #文件系统先不用管，后面会讲到 起始点？ 1 # 结束点？ 2048 #默认为M
4）这样一个分区就创建好了，可以使用print查看
(parted) print Model: ATA VMware Virtual I (scsi) Disk /dev/sdc: 53.7GB Sector size (logical/physical): 512B/512B Partition Table: gpt Disk Flags: Number Start End Size File system Name 标志 1 1049kB 2048MB 2047MB my_data1
5）让我们再来新建一个分区，新建分区的起始点就是上一个分区的结束点
(parted) mkpart 分区名称？ []? my_data2 文件系统类型？ [ext2]? 起始点？ 2048 结束点？ 4096 (parted) (parted) print Model: ATA VMware Virtual I (scsi) Disk /dev/sdc: 53.7GB Sector size (logical/physical): 512B/512B Partition Table: gpt Disk Flags: Number Start End Size File system Name 标志 1 1049kB 2048MB 2047MB my_data1 2 2048MB 4096MB 2048MB my_data2
6）作为linux的哲学思想之一，避免与用户交互，我们也可以使用以下方式来创建新的分区
(parted) mkpart my_data3 4096 6144 (parted) (parted) print Model: ATA VMware Virtual I (scsi) Disk /dev/sdc: 53.7GB Sector size (logical/physical): 512B/512B Partition Table: gpt Disk Flags: Number Start End Size File system Name 标志 1 1049kB 2048MB 2047MB my_data1 2 2048MB 4096MB 2048MB my_data2 3 4096MB 6144MB 2048MB my_data3
7）parted使用quit退出即生效
(parted) quit 信息: You may need to update /etc/fstab. [root@localhost ~]#
[root@localhost ~]# cat /proc/partitions major minor #blocks name 8 16 125829120 sdb 8 17 20971520 sdb1 8 18 20971520 sdb2 8 19 20971520 sdb3 8 20 1 sdb4 8 21 20971520 sdb5 8 32 52428800 sdc 8 33 1998848 sdc1 8 34 1999872 sdc2 8 35 1999872 sdc3 8 0 20971520 sda 8 1 512000 sda1 8 2 20458496 sda2 11 0 4277248 sr0 253 0 16261120 dm-0 253 1 2097152 dm-1 253 2 2097152 dm-2
如果没有识别可以使用以下两种方式通知内核强制重读磁盘分区表：
partx -a device kpartx -af device
如果命令一次不能成功，请多试几次。
文件系统的特性
磁盘分区完成之后，还要进行格式化，这个格式化操作就是指定文件系统，文件系统的本质就是对一个存储设备上的元数据和数据就行组织，最终把数据有组织的放在可以长期存储的设备中。
传统的说法是一个分区只能格式化成一种文件系统，但是由于新技术的产生，LVM或者RAID，一个分区可以被格式化成多个文件系统，也可以将多个分区格式格式化成一个文件系统。
数据一般分为实际的数据（实际的数据，一首mp3）和元数据（文件的属性和权限等），它们在文件系统中存放的位置是不同的。实际的数据是存储在data block中，元数据则是存储在innode中，除此之外还有一个superblock。
superblock：记录了文件系统的整体信息，包括innode/block的总量、使用量和剩余量和文件系统的格式等
inode：记录文件的属性，一个文件占一个inode，同时也记录了文件所在的block号
block：实际记录文件的内容，若文件大小大于block，则占用多个block块
下面就来讲一下inode和block之间的关系：
1.索引式文件系统
若一个文件的inode号是4，此中存放了其block的位置：2,7,13,15，那么操作系统读取数据的时候，就可以根据inode中block的位置一次性将数据读取出来。
2.链式文件系统
和索引式文件系统不同的是莲式读取文件方式，常见于U盘的FAT格式，这种文件系统没有inode的存在，每个block的号码都记录在前一个block中。
3.磁盘重组
磁盘重组的目的就是将写在磁盘中离散的block重新组织一下，将同一个文件的block块集合在一起，以便于数据的读取。导致数据离散的原因，一般是由于文件系统使用的时间过长，非常多次的数据的操作，比如删除、增加和修改的次数很多。
文件系统的类别
Linux的文件系统: ext2(无日志功能), ext3, ext4, xfs, reiserfs, btrfs 光盘：iso9660 网络文件系统：nfs, cifs 集群文件系统：gfs2, ocfs2 内核级分布式文件系统：ceph windows的文件系统：vfat, ntfs 伪文件系统：proc, sysfs, tmpfs, hugepagefs Unix的文件系统：UFS， FFS， JFS 交换文件系统：swap 用户空间的分布式文件系统：mogilefs, moosefs, glusterfs
linux下的EXT2文件系统
EXT2是一种比较旧的文件系统了，从Centos7开始文件系统已经开始使用了XFS，但是这种使用inode为基础的文件系统还是要了解的，毕竟后面也出现了它的升级版本，EXT3和EXT4。
前面说过inode记录是文件的权限和属性，inode和block在文件系统创建好之后就已经分好了的，但是我们想一想，如果一个硬盘有500G甚至更大，inode和block都放在一起就会显得不是很合理，数量过大，不容易去管理。所有在EXT2文件系统中在格式化的时候将文件系统分为多个区块，称为block group，每个block group都有自己的block/inode/superblock。
下面我们就来看看一个block group的大致样子：
在文件系统的最前面有一个Boot Sector，可以安装开机管理程序，这样我们就能将不同的开机管理程序安装在个别的文件系统之前，而不用覆盖整个磁盘的MBR，这样就能做出多重开机的环境。
block group的内容：
date block：用来放置文件内容的地方，大小一般为1k、2k、4k，block的大小在格式化之后就不能再改变了，每个block就能存放一个文件的数据。
inode table：记录了文件的权限，文件的大小，时间戳，flag或者该文件的真正指向
superblock：block和inode的数量信息，文件系统的时间戳，一个有效比特，该值为0代表已经被挂载，该值为1则没有被挂载
Filesystem Description：文件系统描述说明，描述了每个block group的开始和结束的block号码，已经说明了superblock\bitmap\inodemap\data block分别在哪个一个block号码之间。
block bitmap：block位图，记录block的使用情况，标明了哪些block是空的，我们在删除的文件的时候，会发现很快，删除文件操作其实就是改变了该文件占用的bitmap的位置为空，block的文件暂时没有删除，这就是我们的数据可以被找回的原因
inode bitmap：inode位图，与block bitmap的功能类似，记录的是使用与未使用的inode号码。
目录的Inode
文件系统会给目录分配至少一个block，inode记录了权限和属性以及分配到的block号，而block则记录了这个目录下的文件名与该文件名所占用的inode号码。
下面描述读取一个目录下文件的流程：
举例：root读取/tmp/test.txt文件的过程：
1./的inode：通过挂载点信息找到inode号码为128的根目录的inode，取得权限和block号
2./的block：根据block的号码，查看block的内容，找到目录tmp/的文件名和其inode号
3.tmp/的inode：根据inode，获取权限信息和block号
4.tmp/的block：查看对应的block的内容，找到test.txt的inode号
5.test.txt的inode号：根据inode，获取权限信息和对应的block号
6.test.txt的block：获取文件的实际内容
日志式文件系统功能
数据存放区域：inode table，data block
metadata：中介数据，变化次数频繁，superblock，block bitmap和inode bitmap
新增一个文件的过程：
1.根据目录文件的inode确定用户是否有权限
2.根据inode位图找到没有使用的inode号，在inode table写入权限等信息
3.根据block位图找到没有使用的block号，在block中写入实际数据，更新到inode中去
4.更新inode位图和block位图，并更新到superblock中
一般一个完整的新建文件的过程就如上
但是但是出现特殊情况，比如断电，可能会出现数据仅仅写到了inode table和block中却没有更新inode位图和block位图，也没有更新superblock，那就导致中介数据和真正存储数据的内容不一致。
在EXT2中，要使用e2fsck这个工具，要遍历整个文件系统，！！不敢想象啊！
所以就出现了日志式文件系统：
在文件系统中又单独划分一个区块，记录了写入或修改文件时的信息
1.当要写入一个文件的时候，就在日志区块记录一下某个文件要写入了
2.写入文件的数据，更新metadata数据
3.完成数据和metadate的更新，在日志记录区块当中完成对该文件的记录
这样，当发生意外的时候，我们可以直接检查日志记录区块，查看哪些文件有问题，然后做出校验即可
EXT2不支持日志式文件系统，EXT3和EXT4都支持日志式文件系统，并向下兼容EXT2
VFS
VFS（Virtual Filesystem Switch），linux系统通过VFS的核心功能去读取文件系统。
比如/是使用的是/dev/sda1，其文件系统是ext2格式的，而/home使用的/dev/sda2，其格式为xfs，如果我们现在要读取/home/Frank,直接cat就行了，我们有指定要用什么文件系统的模块去读取吗？没有，这个就是VFS的功能，VFS可以管理所有的filesystem，示意图如下：
