深入探索 Linux 文件系統與硬體管理 | 分區、檔案系統、邏輯卷 | inode

## 切換到 root 目錄

cd /

但這些被掛載的文件其實是在各自的硬碟中 （也就是目錄本身不代表真實資料在硬碟中的位置）

● usr 目錄：用來存放 使用者空間 中的程序、資料，有許多重複根目錄的資料夾如下圖所示

Window 系統則是使用 \（反斜線）

● 絕對路徑：以 /（正斜線）開頭的路徑

● 相對路徑：以 . or .. 符號開頭的路徑；其中

從圖中我們可以看到核心空間的幾點要點

A. 使用者應用並不會直接呼叫到檔案系統（FS），而是 透過系統呼叫（System Call）來訪問檔案系統

B. 檔案系統的角色是 非必須角色，系統仍可以繞過檔案系統來訪問分區設備

C. 設備介面、分區對照表會在訪問子設備（像是 SCSI），而子設備（驅動）才是真正訪問硬體設備的地方（有興趣可以先看看 硬體 - 設備管理 再往下閱讀）

● Master Boot Record：傳統典型，主開機紀錄簡稱 MBR

● Globally Unique Identifier Partition Table：逐漸普及，GUID 分區表簡稱 GPT

sudo parted -l

從上圖我們可以觀察到幾件事，目前電腦裝置有 3 個分區（注意 Module 標註），它們使用的分區表就不同，如下表

loop 設備允許將檔案當作區塊設備使用，從而將檔案系統對應到一個虛擬的區塊設備上

其中我們可以看到 SD EE 4S5 有兩個分區（兩個都是主分區）

● MBR 最多只能有 4 個主分區，如果需要更多分區可以用擴充分區、邏輯分區來拓展

● 另外我們可以使用 dmesg 命令來讀取 Linux 核心在初始化讀取 MBR 表時的除錯訊息

dmesg | gawk '/sd+/{print $0}'

A. 更改前的資料 備份：

B. 確保要操作硬碟沒有在被使用：

parted 命令指定分區硬碟設定：

運行以下命令來啟動 parted 命令並指定 /dev 目錄下，要分區的硬碟設備（例如 /dev/sda）

sudo parted /dev/sda

在這個命令之後就會 進入 parted 交互式命令行（開始選擇一些選項，並使用一些內部的子資訊，像是 mklabel、mkpart、print、quit… 等等）

● mklabel 命令指定分區表類型：

mklabel gpt

● mkpart 命令創建一個新分區：

# mkpart primary <文件系统类型> <起始位置> <结束位置>
# 檔案系統像是 ext4, fat32... 等等
# 起始、結束位置則以 MB, GB 為單位

mkpart primary 

● print 命令可以顯示對於硬碟的分區資訊：

print

● quit 命令退出操作：

quit

透過概念圖可以得知，資料的讀取是透過 讀寫頭，如果是大容量磁碟就會有多個磁碟片、讀寫頭（每個磁碟片會有 1~2 個讀寫頭）

● 有人把傳統硬碟構造稱之為「CHS 構造」

C 柱面 Cylinder、H 讀寫頭 Head、S 扇區 sector

● 用指令讀取 CHS 數量？

對於 現代硬碟來講，透過 指令獲取的 柱面數 並不準確（無法適應現代的大容量硬碟，也無法處理外道柱面到內道柱面的儲存容量大小差異）

傳統磁碟透過 磁碟片的旋轉 & 柱面 的讀取，來達到讀取資料；如果分區沒有精確至於柱面，那讀取資料的速度就會不佳；如下圖

下圖，對於同一份資料，但是分散在不同的住面分區，會導致讀寫頭要不斷移動才能讀取到所需的資料… 效能自然不佳

● MBR 分區表包含 CHS 資訊和對應的 LBA 資訊

graph LR subgraph MBR 分區表 c(CHS 資訊) l(LBA 資訊) end

也就是說「不會因為分區位置不佳導致效率低」，分區位置變得不是很重要

由於 SSD 每次讀取資料時都是讀取一塊資料（像是 4096 Byte 的資料），所以如果純取資料時，沒有精確地按照區塊存取，那同一份資料就可能分散到不同區塊（也就是塊狀讀取效能的問題），如下圖

● VFS 是內核中使用的所有文件系統的統一界面

也是由於該界面的存在，讓檔案系統自由發展；像是 Mac OS X 中使用的 HFS+ 就是實現了 VFS 功能界面

● Plan 9 的協議就是 VFS 嗎？

A. ext 檔案系統：採用 索引節點 的系統來存放虛擬目錄中所儲存的訊息

B. ext2 檔案系統：強化 ext 檔案系統，^1. 擴大儲存限制，^2. 使用組來管理 (Block group) 減少碎片化

在數據成功寫入裝置後，才會刪除日誌

而日誌類型的不同也會有不同的特性，以下列出三種

● ext4 特性

A. 區段（extent）特性：只儲存 block group 的頭節點位置，省略其他節點的儲存空間，所以可以節省空間

B. 預分配：ext4 檔案系統可以為文件分配所有需要用到的塊，而不僅僅是那些現在已經 用到的塊

使用者修改的數據是另外的副本（記憶體中），不會立刻寫入文件，只會在合適的時機才寫入文件中

• 檔案系統名說明補充ZFSSun 公司開發，與 Resier4, Btrfs, ext4 勢均力敵GPL 尚未許可BtrfOracle 公司開發，在 Resier4 特性的基礎上優化了可靠性又稱為 B 樹文件

A. 平台相關的檔案系統

B. 裝置相關的檔案系統

● /dev 目錄可能會因為讀取順序，導致對應的硬碟會有所改變

可能第一次開機時讀取硬碟 A，發現後設定名為 /dev/sda，下次開機後它（同塊硬碟）比較晚被發先，所以這次命名為 /dev/sdc

當格式化分區並為其指定檔案系統時，唯一識別碼（PARTUUID）會隨著檔案系統一起寫入分割區的超級區塊中；PARTUUID 的主要目的是提供一種獨特的標識方式，以便在系統重新啟動或重新連接硬碟時可以確定特定分割區的識別

PARTUUID 是在分區時的過程中完成的，而不是在偵測硬碟時才創建的

● 只要分區不發生更改，PARTUUID 就不會變化，即使插入不同的電腦中也是如此

● 另外，PARTUUID 是確保每個分區都有一個唯一的識別碼，不受檔案系統或存儲介面的影響

這意味著即使更改檔案系統或移動硬碟到不同的系統，分區的 PARTUUID 仍然保持不變，因此可以確保每個分區都具有唯一的識別碼

這有助於系統識別特定的分區，而不受檔案系統的變化或硬體更換的影響

Linux 也有提供我們 blkid 命令，來取得分區的 PARTUUID 以及檔案系統的 UUID，同時也可以取得 /dev 路徑以及該分區的檔案系統資訊

blkid 的輸出格式為：<Dev Path>: <UUID> <FileSystem>

使用檔案系統的唯一 UUID，就可以找到 唯一的檔案系統標示；這個 UUID 標示會在檔案系統建立時產生；命令查詢範例如下

blkid

● Linux 原生設備都有 UUID，但是 FAT 設備並沒有（FAT 設備使用 FAT 序列號）

● 在系統啟動時，掛載設備偏好使用 UUID 來掛載

並且檔案系統 UUID 是可以修改的！不能修改的 PARTUUID

● 在 mount 掛載時，就可以使用 UUID 替代 /dev

mount UUID=<UUID> <掛載點>

cat /etc/fstab

由前到後，總共有 6 個欄位，我們按照順序說明

● 其中第 4 個長選項（只在 /etc/fstabs 中適用），其中有幾個常見的如下表

eg. PID, 核心管理… 讓檔案作為 I/O 介面

Linux 中特殊用途的檔案系統如下表

echo $$

ls -laF /proc/11070/ | head -n 20

A. 找到目標硬碟（你要在哪個硬碟下創建分區）

ls -l /dev | grep sd

## 也可以使用 lsblk 查看電腦中的裝置
lsblk

B. fdisk (manipulate disk partition table) 命令：該命令必須要管理員才能使用

sudo fdisk /dev/sda

## 新建分區
n

## 創建主分區 ... 忽略大小設置使用 default setting
p

## 查看分區 (記憶體內)
p

## 將分區資訊寫入硬碟
w

● 並不是所有工具都有默認安裝，可以使用 type 查詢

type mkfs.ext4

type mkfs.btrfs

● 可以透過查看 mkfs.* 檔案，知道其實該指令真正的執行者

ls -laF /sbin/mkfs.*

可以看到 大部分檔案系統操作都導向 mke2fs

## 查看分區
lsblk

## 對指定分區創建檔案系統（以下創建 ext4 檔案系統）
sudo mkfs.ext4 /dev/sda1

這個過程比較耗時，需等待一下 (在這個過程中該 Shell 先不要操作其他命令，避免失敗)

● 如果在已有檔案系統上建立另一個檔案系統，那會讓舊有資料遺失

# 如果你不記得檔案系統類型可以用這個命令查詢
blkid /dev/sda1

sudo mkdir /mnt/my_partition/

# -t 指定分區類型為 ext4
# 將 /dev/sda1 掛載到 /mnt/my_partition/ 目錄中
sudo mount -t ext4 /dev/sda1 /mnt/my_partition/

# 查看掛載好的硬碟
ls -laF /mnt/my_partition

掛載完成後，我們就可以透過 /mnt/my_partition/ 目錄來訪問 /dev/sda1 硬碟，並做讀取或是寫入操作

如果掛載失敗可以修復後再測掛載（下個章節）

A. amount 短選項

B. amount 長選項：mount 長選項必須寫在 -o 之後，每個選項之間使用逗號 , 區分

命令使用的格式：fsck options filepath

# 懶人用法

sudo fsck -y /dev/sda1

● 還有另外一個 testdisk 工具可以使用

sudo apt install testdisk

sudo testdisk /dev/sda

● 已掛載硬碟不可使用 fsck

因為核心在執行檢查時可能輝更新磁碟資料，導致資料不配對，進而導致系統崩潰、檔案損壞... 等等問題

A. 確保分區為空，無檔案系統

B. 製作交換區：執行 mkswap <dev> 命令來創建交換區塊

# `-f` 強制

sudo mkswap -f /dev/sdb 

C. 提交交換區：執行 swapon <dev> 命令來將創建好的交換區提交給核心

sudo swapon /dev/sdb

# 查看交換分區，就會變大
free

sudo swapoff /dev/sdb

# 查看交換分區，就會變為原本大小
free

A. 透過 dd 命令從 /dev/zero 空間複製，創建一個檔案

dd if=/dev/zero of=my_swap_file bs=1024 count=60

B. 製作交換區：執行 mkswap <file> 命令來創建交換區塊

sudo mkswap ./my_swap_file

C. 提交交換區：執行 swapon <file> 命令來將創建好的交換區提交給核心

sudo swapon ./my_swap_file

# 查看交換分區，就會變大
free

sudo swapoff ./my_swap_file

# 查看交換分區，就會變為原本大小
free

mkdir dir_1
mkdir dir_2

echo a >dir_1/file_1
echo b >dir_1/file_2
echo c >dir_1/file_3
echo d >dir_2/file_4

ln dir_1/file_3 dir_2/file_5

tree .

其中，檔案名、目錄都是透過 inode 來實現（目錄 inode 的資料池中包含一個檔案名列表 & 指向對應的檔案 inode）；概念如下圖所示

● 解釋（對於 ext/2/3/4 檔案系統來說）

A. 透過　ls -i 來查看檔案的 inode 編號（編號在開頭）

# 載是 inode 數量
ls -i

B. 查看檔案 硬連結 數量；由於 創建「硬連結」會指向同一個 inode 編號，所以只要有一個硬連結，檔案的 inode 就會 +1，反知則減一！

ls -l

A. 一般目錄：它包含目錄中的 ^1. 上層目錄（.. 符號）、^2. 自身的目錄參照（. 符號）

B. root 目錄：檔案系統的超級區塊（這樣檔案系統才找的到 root 目錄） 加上 底下的目錄數量

A. 物理分區 (physical volume, PV)：將硬碟抽象化，讓每個硬碟映射到物理分區

B. 卷組（volume group, VG）：多個 PV 可以匯聚成一個 卷組，邏輯卷管理系統會將這個 VG 視為一個硬碟

C. 最後一層就是 邏輯卷（logical volume, LV）：邏輯卷可以提供分區環境給檔案系統使用

A. 快照 snapshot：Linux 允許你 在邏輯卷運作的狀況下進行複製，將其複製到另外一個設備；概念是創建一個副本（快照），然後 LV 讀取副本資料

B. 條帶化 striping：可以跨多個物理硬碟創建邏輯卷（LV），將數據分配到各個不同硬碟上

C. 鏡像 mirror：可以隨時創建邏輯卷副本，這個副本就可以稱為鏡像；當使用者對邏輯卷寫入時，就需要同時對鏡像進行寫入（2 次寫入）；這會影響寫入的速度，但卻也同時加強了讀取效能

A. 定義物理卷 (PV)：請先確定你的「硬碟分區類型」，再確認正確後就可以創建物理卷

sudo fdisk /dev/sda

## 查看分區類型，當前分區類型為 83
p

## 修改分區類型
t 

## 輸入 L 可以查看所有分區類型，8e 代表 Linux LVM
8e

## 退出
q

## 如果已經有安裝 LVM2 就可以忽略這個步驟
sudo apt install lvm2

## 卸載已掛載的硬碟，否則不能操錯分區空間
sudo umount /mnt/my_partition

## 指定分區創建物理卷
sudo pvcreate /dev/sda1

sudo display /dev/sda1

B. 創建卷組 (VG)：從創建好的物理卷中創建一個、多個卷組

## 創建卷組
sudo vgcreate Vol_Test /dev/sda1

## 查看卷組細節
sudo vgdisplay

C. 創建邏輯卷 (LV)：

## 按照比例分配給新邏輯卷的邏輯區段
## 以下 `-l 100%FREE` 指定 100% 的邏輯卷可用空間
sudo lvcreate -l 100%FREE -n LV_Test Vol_Test

sudo lvdisplay

## 先查看硬碟的分區分配狀況
lsblk

## 指定 LV_Test 檔案系統為 ext4

## 最終路徑是 /卷組/邏輯卷
sudo mkfs.ext4 /dev/Vol_Test/LV_Test

## 掛載硬碟
sudo mount /dev/Vol_Test/LV_Test /mnt/my_partition/

ls -la /mnt/my_partition/

● 手動調整邏輯卷大小時，邏輯卷中的文件需要手動修整來處理邏輯卷大小上的改變

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