【Linux】【硬件向】从“找文件”到“懂磁盘”：一文搞懂文件、磁盘与文件系统 - 指南

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文章目录

• • 一、先搞懂：文件存磁盘里，怎么找到它？
  • 二、磁盘的“朋友圈”：从单个磁盘到机房
  • • 1. 磁盘的基本能力
    • 2. 磁盘里的数据怎么存？靠“小磁铁”
  • 三、磁盘的“内部地图”：磁道、扇区与柱面
  • • 1. 最基本的“存储单元”：扇区
    • 2. 双面磁盘与“磁头”
    • 3. 逻辑上的“柱面”
  • 四、怎么找到磁盘里的“扇区”？两种寻址方式
  • • 1. 早期的“三维定位”：CHS寻址
    • 2. 更简单的“线性定位”：LBA寻址
    • 3. CHS和LBA的转换：磁盘自己搞定
  • 五、操作系统怎么管磁盘？引入“文件系统”
  • • 1. 比扇区大的“管理单元”：块
    • 2. 磁盘分“组”：块组管理
    • 3. 块组里有什么？
  • 六、实战：在Linux里看磁盘和inode信息
  • • 1. 查看磁盘分区和扇区信息
    • 2. 查看文件的inode信息
  • 总结

一、先搞懂：文件存磁盘里，怎么找到它？

咱们电脑里的每个文件，其实都很“简单”——单个文件 = 内容（比如文档里的字、图片的像素）+ 属性（比如文件大小、创建时间）。

但问题来了：没打开的文件都存在磁盘里，磁盘里文件那么多，咱们怎么精准找到想要的？

答案藏在“磁盘的目录结构”里——磁盘是用树状目录来存文件的，就像你电脑里“此电脑→D盘→学习资料→Linux笔记.txt”这样的一串地址，这串地址叫“路径”。只要顺着路径找，就能定位到文件。

就像下面这张图里展示的那样，树状的目录结构+明确的路径，是咱们找到磁盘里文件的“导航图”：

而这一切能实现，背后全靠“文件系统”——它最核心的工作，就是帮咱们管好磁盘里的文件，让咱们能快速找到、读写文件。

二、磁盘的“朋友圈”：从单个磁盘到机房

要懂文件系统，得先搞懂它“管理的对象”——磁盘，以及磁盘所在的硬件环境。

1. 磁盘的基本能力

磁盘就像一个“可擦写的笔记本”：能存数据（写）、能读数据（读）、也能删数据（擦除）。但它不是孤立存在的，通常和这些硬件搭伙干活：

• 服务器：磁盘一般装在服务器里，服务器靠“网卡”连网，咱们才能通过网络访问服务器里的文件（比如云盘里的文件）。
• 机柜：服务器不是散着放的，而是放进“机柜”里——机柜就像服务器的“多层书架”，能塞很多台服务器，节省空间还方便管理：
  
  
• 机房：多个机柜连起来，再配上电源、空调、网络设备，就成了“机房”——一般只有大公司（比如阿里、腾讯）或云服务商才会建自己的机房，用来放大量服务器和磁盘：
  

2. 磁盘里的数据怎么存？靠“小磁铁”

不同硬件存数据的原理不一样，磁盘靠的是“磁铁”——可以把磁盘看成无数个“小磁铁”组成的平面：

• 写数据时：改变小磁铁的“磁性方向”（比如“N极朝上”代表1，“S极朝上”代表0），用0和1记录数据；
• 删数据时：用高温让小磁铁失去磁性，数据就没了。

三、磁盘的“内部地图”：磁道、扇区与柱面

磁盘的物理结构没那么复杂，咱们拆开来看看：

1. 最基本的“存储单元”：扇区

把磁盘的一个“盘面”（像光盘一样的圆形平面）放大，会看到一圈圈的“同心圆跑道”，这叫磁道；每个磁道又被分成很多“小段”，每一小段就是扇区——这是磁盘最小的存储单元，默认大小是512字节（比如一个文字、一个小图标碎片，可能就存在一个扇区里）：

2. 双面磁盘与“磁头”

实际的磁盘不是“单面”的，而是像“叠起来的光盘”，有很多个“盘面”（比如双面磁盘有2个盘面）。每个盘面都需要一个“读/写头”（简称磁头），就像唱片机的针头一样，负责读/写这个盘面的数据：

而且这些磁头是“同步行动”的——比如所有磁头一起往“外圈”移动，或者一起往“内圈”移动，不会各自为政。

3. 逻辑上的“柱面”

当所有磁头同步移动到同一个“磁道位置”时，这些盘面的“同位置磁道”会组成一个“圆柱形”的结构，这就是柱面——柱面是个“逻辑概念”，不是真的有个柱子，而是为了方便管理多个盘面的磁道：

比如写数据时，磁盘会让多个盘面的扇区“同时写”（比如6个扇区一起写），效率更高。

四、怎么找到磁盘里的“扇区”？两种寻址方式

知道了磁盘的结构，接下来的问题是：怎么精准定位到一个扇区（比如要把512字节的数据写入某个扇区）？

1. 早期的“三维定位”：CHS寻址

早期磁盘用的是CHS寻址，靠三个参数定位扇区，就像找教室要“哪栋楼（C）、哪一层（H）、哪个教室（S）”：

• C（Cylinder）：柱面号——确定是“哪栋楼”（哪个柱面）；
• H（Head）：磁头号——确定是“哪一层”（哪个盘面）；
• S（Sector）：扇区号——确定是“哪个教室”（哪个扇区）。

定位时，磁头会先移动到指定柱面，然后磁盘旋转，等指定扇区转到磁头下方，就能读/写数据了：

简单说：文件的本质，就是存在一个或多个扇区里——比如一个1KB的文件，就需要2个512字节的扇区。

2. 更简单的“线性定位”：LBA寻址

CHS寻址有个问题：磁盘容量变大后，柱面、磁头、扇区的数量会变得很复杂，操作系统管理起来很麻烦。于是就有了LBA寻址（Logical Block Addressing，逻辑块地址）。

LBA的思路很简单：把磁盘所有扇区“拉直”，看成一个“线性数组”，每个扇区给一个唯一的“编号”（从1开始，不是从0），这个编号就是LBA地址。比如磁盘有1000个扇区，LBA编号就是1~1000：

操作系统怎么算LBA总数？很简单：用磁盘总容量除以每个扇区的大小（512字节）。比如一个10GB的磁盘，总容量是10×1024×1024×1024字节，除以512字节/扇区，就能算出LBA总数：

注意：扇区的LBA编号是从1开始的，不是从0开始——这是硬件规定的：

3. CHS和LBA的转换：磁盘自己搞定

操作系统只需要用LBA地址（比如“写数据到LBA=100的扇区”），不用管CHS。那LBA怎么对应到实际的CHS位置？

不用咱们操心——磁盘硬件会自动完成“CHS和LBA的转换”：

• 已知CHS，转LBA：用公式算出对应的LBA编号；
  
• 已知LBA，转CHS：把LBA编号拆成C、H、S三个参数；
  

最终结论：操作系统只需要跟LBA打交道，复杂的硬件细节（CHS）交给磁盘自己处理，效率更高：

五、操作系统怎么管磁盘？引入“文件系统”

前面说过，扇区是磁盘最小的存储单元（512字节），但操作系统读/写磁盘时，不会以扇区为单位——因为每次读512字节太慢了，效率太低。

于是文件系统引入了“块”的概念：

1. 比扇区大的“管理单元”：块

文件系统把多个扇区“打包”成一个“块”（Block），默认大小是4KB（也就是8个512字节的扇区）。操作系统读/写磁盘时，都以“块”为单位——就像搬砖，一次搬8块比一次搬1块快多了：

比如一个10KB的文件，需要3个4KB的块（前两个块存满4KB，第三个块存2KB，剩下的2KB空闲）。

2. 磁盘分“组”：块组管理

如果磁盘容量很大（比如300GB），直接管理所有块会很混乱。文件系统会把磁盘分成多个“块组”（Block Group），比如把300GB分成10个30GB的块组——每个块组相当于一个“小区”，管理自己的块，找文件时不用翻遍整个磁盘：

3. 块组里有什么？

每个块组里都有这些核心部分，负责管理文件的“属性”和“内容”：

重点说两个关键角色：

• 数据块（Data Blocks）：存文件的“内容”（比如文档里的文字、图片的像素），每个块4KB；
• inode：存文件的“属性”（比如文件大小、创建时间、修改时间、所有者）。

文件系统会把“内容”和“属性”分开存——属性存在inode里，内容存在数据块里。inode就像文件的“身份证”，是一个固定大小的“结构体”（编程里的struct），默认128字节：

比如一个文件的inode里，会记录“这个文件的内容存在哪些数据块里”——操作系统找到inode，就能顺着inode里的“块地址”，找到文件的内容：

六、实战：在Linux里看磁盘和inode信息

光说理论不够，咱们用Linux命令实际看看磁盘和inode的情况（云服务器或本地Linux都能执行）：

1. 查看磁盘分区和扇区信息

用 lsblk 命令查看系统里的磁盘和分区（比如云服务器的磁盘）：

# 列出所有磁盘和分区的信息（包括大小、类型）
lsblk

执行后会看到类似这样的结果（对应前面“云服务器查看磁盘”的图）：

• vda 是磁盘名，vda1 是磁盘的第一个分区；
• 能看到分区大小（比如200GB），以及是否挂载（Mounted）。

如果想更详细地看扇区信息，用 fdisk -l 命令：

# 查看磁盘分区的详细信息（包括扇区大小、LBA总数）
fdisk -l /dev/vda  # /dev/vda 是磁盘路径

执行后能看到“扇区大小”（512字节）、“总扇区数”（比如419430400，对应200GB），这些就是咱们前面说的LBA相关信息。

2. 查看文件的inode信息

用 ls -i 命令查看文件的inode编号（每个文件的inode编号唯一）：

# 查看当前目录下所有文件的inode编号和文件名
ls -i

比如执行后会看到：

123456  Linux笔记.txt  789012  图片.jpg

其中 123456 就是 Linux笔记.txt 的inode编号。

如果想查看inode里的详细属性（比如文件大小、创建时间），用 stat 命令：

# 查看指定文件的inode详细信息
stat Linux笔记.txt

执行后会看到类似这样的结果（对应前面inode存属性的图）：

  File: Linux笔记.txtSize: 10240     	Blocks: 24         IO Block: 4096   regular file
Device: 801h/2049d	Inode: 123456      Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: ( 1000/    user)   Gid: ( 1000/    user)
Access: 2024-05-01 10:00:00.000000000 +0800
Modify: 2024-05-01 10:30:00.000000000 +0800
Change: 2024-05-01 10:30:00.000000000 +0800Birth: -

其中：

• Inode: 123456 是inode编号；
• Size: 10240 是文件大小（10KB）；
• Blocks: 24 是占用的块数（24×4KB=96KB？这里要注意：实际占用块数会比文件大小略大，因为即使文件没填满块，也会占用整个块）；
• Access/Modify/Change 是文件的访问、修改、属性变更时间，这些都存在inode里。

总结

咱们从“找文件”到“懂磁盘”，其实就绕了这几个圈：

1. 文件=内容+属性，靠路径找到磁盘里的文件；
2. 磁盘是硬件，靠磁道、扇区存数据，用CHS/LBA定位扇区；
3. 文件系统用“块”管理磁盘，用“inode”存属性，把内容和属性分开管，让操作系统效率更高。

下次再用电脑存文件、看云盘，就知道背后是这么一套逻辑在干活啦～