linux磁盘篇

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磁盘作用： 用来存放数据（二进制方式来管理数据）

磁盘空间的管理，使用硬盘三步

  1. 分区：

  2. 安装文件系统=格式化

  3. 挂载：

本篇详细介绍磁盘分区的原理

机械硬盘的物理结构

盘片：硬盘有多个盘片，每盘片有2面（正反两面）

磁头：每面一个磁头，并不是只有一个磁头，磁头也不会碰到盘面，磁头等于盘片数量

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机械硬盘的数据结构

  • 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（扇区越多容量越大） 存放数据的最小单位 512字节
  • 磁道：同一盘片不同半径的同心圆
  • 柱面：不同盘片相同半径构成的圆（柱面和磁道数量相同）

硬盘存储容量

  • 硬盘存储容量＝磁头数（8个2进制）×磁道（柱面）数×每道扇区数（6个二进制）×每扇区字节数

    1柱面=512 * 扇区数/磁头数×磁道=51263255=7.84M

  • 可以用柱面/磁头/扇区来唯一定位磁盘上每一个区域

硬盘接口类

  • IDE：133MB/s，并行接口，早期家用电脑

  • SCSI：640MB/s，并行接口，早期服务器

  • SATA：6Gbps，SATA数据端口与电源（长的电源，数据线短的）端口是分开的，即需要两条线，一条数据线，一条电源线

  • SAS：6Gbps，SAS是一整条线，数据端口与电源端口是一体化的，SAS中是包含供电线的，而SATA中不包含供电线。SATA标准其实是SAS标准的一个子集，二者可兼容，SATA硬盘可以插入SAS主板上，反之不行。

  • M.2：光纤接口

机械与固态

机械硬盘（HDD）：Hard Disk Drive，即是传统普通硬盘，主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电 机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。机械硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴 上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直 径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径 方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操 作。数据通过磁头由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，也可以通过相反方式读取。硬盘为精 密设备，进入硬盘的空气必须过滤

固态硬盘（SSD）：Solid State Drive，用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单 元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的 完全相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致 相较于HDD，SSD在防震抗摔、传输速率、功耗、重量、噪音上有明显优势，SSD传输速率性能是HDD 的2倍 相较于SSD，HDD在价格、容量占有绝对优势 硬盘有价，数据无价，目前SSD不能完全取代HHD

MBR与磁盘分区

为什么分区

  • 优化I/O性能 读写
  • 实现磁盘空间配额限制
  • 提高修复速度
  • 隔离系统和程序
  • 安装多个OS
  • 采用不同文件系统

MBR： 2T 以下 的硬盘 fdisk

MBR磁盘采用MBR分区表，由于MBR用4个字节存储分区总扇区数，最大可以表示2的32次方，一个扇区512字节，那么分区的容量或者磁盘容量都不能超过2TB。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。主分区一般 用来安装操作系统，扩展分区则多用来存储文件数据

MBR（主引导记录）：Master Boot Record，1982年，使用32位表示扇区数，分区不超过2T

  1. 446bytes: boot loader 启动相关
  2. 64bytes：分区表，其中每16bytes标识一个分区 4 主分区 *16=64
  3. 2bytes: 55AA

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因此总的来说，硬盘分区有 3 种，分别是主分区、扩展分区和逻辑分区。对于一个硬盘来说，主分区至少有 1 个，最多有 4 个；扩展分区可以没有，最多只能有 1 个，且主分区+扩展分区总共不能超过 4 个；逻辑分区可以有若干个。 主分区可以直接存储数据 扩展分区不可以直接存储数据，还需要再分区

GPT： 可以支持 2T 以上的硬盘 gdisk

GPT：GUID（Globals Unique Identifiers） partition table 支持128个分区，使用64位，支持8Z（512Byte/block ）64Z （ 4096Byte/block）

使用128位UUID(Universally Unique Identifier) 表示磁盘和分区 GPT分区表自动备份在头和尾两份，并有CRC校验位UEFI (Unified Extensible Firmware Interface 统一可扩展固件接口)硬件支持GPT，使得操作系统可以启动

文件系统

是操作系统用于明确存储设备或分区上的文件的使用方法和数据结构；即在存储设备上组织使用文件的方法。操作系统中负责管理和存储文件信息的软件结构称为文件管理系统，简称文件系统从系统角度来看，文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。具体地说，它负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取，安全控制，日志，压缩，加密

Linux下常用的文件系统有：Ext4、XFS、ZFS、Btrfs

Ext4 文件系统

1最大卷 1EiB ，最大文件 16TiB （对于4KiB块） 。Ext4中实现了基于extent的数据管理。extents可以简单理解为连续的块，有了它管理大文件就更方便，大大降低了用于索引大文件的元数据量——原来用间接块索引（Indirect Block）的方法是非常浪费的——自然访问也性能也提升。而且，Ext4的inode比Ext3大一倍，达到256字节。

2 增加并优化了日志校验和（journal check summing）功能，fsck过程更快

这两个特性XFS和Btrfs也都支持。

3 无日志模式

4 多块分配、延迟分配

5 在线去除碎片（defragmentation）件系统

xt4在于它的易用性以及广泛性。对于桌面或者工作站， ext4 仍然是一个很好的文件系统。由于它是默认提供的文件系统，用户可以在上面安装操作系统。同时， ext4 支持最大 1 exabytes 的卷和 16 terabytes 的文件，在多数情况下也够用了 。

XFS 文件系统

XFS 文件系统是扩展文件系统extent file system的一个扩展。XFS 是 64 位高性能日志文件系统。对 XFS 的支持大概在 2002 年合并到了 Linux 内核，到了 2009 年，红帽企业版 Linux 5.4 也支持了 XFS 文件系统。对于 64 位文件系统，XFS 支持最大文件系统大小为 8 exbibytes。

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