一、 机械硬盘

1.1 工作原理

写入时，磁头线圈加电，在周围产生磁场，磁化其下的磁性材料；电流的方向不同，所以磁场的方向也不同，可以表示 0 和 1 的区别。——“电生磁”。 读取时，磁头线圈（不加电）切割磁场线产生感应电流，磁性材料的磁场方向不同，所以产生的感应电流方向也不同。可以表示出 0 和 1 的区别。——“磁生电”。

硬盘保存数据是有时间限制的，当硬盘消磁后，存储在硬盘里的数据就读不出来了。

1.2 扇区

硬盘的基本存储单位为扇区（sector），每个扇区一般为512byte。一个硬盘往往会有多个盘片，每个盘片分成两面，每面按照同心圆划分为若干个磁道，每个磁道分为若干个扇区。

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如图1 所示：具有相同磁道编号的同心圆组成柱面。那么需要知道某个扇区的具体位置，需要知道柱面号、磁头号、扇区号。每个盘面同心圆的周长不一样。如图2-2 所示，如果按照每个磁道都拥有相同数量的扇区，那么外围的磁道密度肯定比内圈更加稀疏。但是如果不同的磁道扇区数量不同，计算起来就十分麻烦。产商们最终选择了图2-1 所示的方案。为了屏蔽这些复杂的硬件细节，现代的硬盘普遍使用一种叫做 LBA （logical block address）的方式，即整个硬盘中的所有扇区从0开始编号，一直到最后一个扇区。这个扇区编号叫做逻辑扇区号。在最外圈从0开始编号，缘由将在1.3 节给出。 逻辑扇区号抛弃了所有复杂的磁道、盘面之类的概念。当我们给出一个逻辑的扇区号时，硬盘的电子设备会将其转换成实际的盘面、磁道等这些位置。

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 在Linux操作系统中，要读取这个文件的前4096个字节时，会使用一个read系统调用来实现。文件系统收到 read 请求之后，判断出文件的前 4096 个字节位于磁盘的 1000 号逻辑扇区到 1007号逻辑扇区。然后文件系统就向磁盘驱动发出一个读取逻辑扇区为 1000 号开始的 8 个扇区的请求，磁盘驱动程序收到这个请求以后就向硬盘发出硬件命令。向硬盘发送 I/O 命令的方式有很多种，最为常见的一种就是通过读写 I/O 寄存器来实现。在 x86 平台上，共有65 536 （12位）个硬件端口寄存器，不同的硬件被分配到不同的 I/O 端口地址。CPU 提供了两条专门的指令 “in” 和 “out” 来实现对硬件端口的读写。 对 IDE 接口来说，它有两个通道，分别为 IDE0 和 IDE1 ，每个通道上可以连接两个设备，分别为 Master 和 Slave ，一个 PC 中最多可以有 4 个 IDE 设备。假设我们的文件位于 IDE0 的 Master 硬盘上，这也是正常情况下硬盘所在的位置。在 PC 中，IDE0 通道的 I/O 端口地址是 0x1F0~0x1F7 及 0x376~0x377。通过读写这些端口地址就能和 IDE 硬盘进行通信。这些端口的作用和操作方式十分复杂，我们就以实现读取 1000 号逻辑扇区开始的 8 个扇区为例：

• 第0x1F3~0x1F6 4个字节的端口地址是用来写入 LBA 地址的，那么 1000 号的逻辑扇区的 LBA 地址为 0x0000 03E8，所以我们需要往0x1F3、0x1F4 写入 0x00，往 0x1F5 写入0x03，往 0x1F6 写入0xE8。
• 0x1F2 这个地址是用来写入命令所需要读写的扇区数。比如读取 8 个扇区即写入 8。
• 0x1F7 这个地址是用来写入要执行的操作的命令码，对于读取操作来说，命令字为 0x20。所以我们要执行的命令为：

out 0x1F3, 0x00 out 0x1F4, 0x00 out 0x1F5, 0x03 out 0x1F6, 0xE8 out 0x1F2, 0x08 out 0x1F7, 0x20 硬盘收到这个命令以后，它就会执行相应的操作，并且将数据读取到事先设置好的内存地址中（这个地址也是通过类似的命令方式设置的）。

1.3 操作系统

硬盘的磁道定义是从外圈往内圈排顺序，最外圈为零磁道，用于存放引导信息。操作系统也是从最外圈开始安装的。外圈磁道相对内圈磁道更长，读写数据更稳定。

1.4 块 

文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做"扇区"（Sector）。每个扇区储存512字节（相当于0.5KB）。操作系统读取硬盘的时候，不会一个一个扇区进行读取——效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个"块"（block）。问题就来了！需要在效率和磁盘利用率之间做一个折中。

由多个扇区组成的"块"，是文件存取的最小单位。

文件数据都储存在"块"中，还必须找到一个地方储存文件的元信息(metadata, 就是文件的"属性, 描述信息")，如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做inode（identifier），中文译名为"索引节点"。

磁盘格式化创建文件系统时会生成一定数量的inode和block。磁盘空间是否满了，是由两项参数决定的：inode满或是block满，任何一个满了都不能存放数据。

二、 深入理解inode

2.1 概述

disk（磁盘）          memeory（内存）

Linux把inode分为两种方式保存，一种是在硬盘中的inode（d_inode），一种是在内存中的inode（m_inode）。m_inode除了完全包含d_inode中的字段之外还有一些专门的字段。

如图4 所示：每个文件的目录项存储在该文件所属目录中。inode是文件的唯一标识，文件名和inode的对应关系存放在上一级目录的block中；inode所含字段包含指向文件block的指针和文件的属性等，通过block获得文件数据。 

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如图5 所展示的那样，通过inode访问步骤如下：

1. 在目录文件中找到文件名对应的inode编号；如图3 所示；
2. 利用inode号，获取inode信息；
3. 根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

 

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2.2 inode所含字段 

如图 7所示：

• 字节数。
• UID、GID。
• 读、写、执行权限（w-r-x）。
• ctime：inode最后修改时间；mtime：文件内容最后变动时间；atime：文件最后打开时间。
• 链接数：有多少文件名指向这个inode。
• 块（block）的位置（指向文件block的指针）。

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2.3 inode大小

inode会消耗硬盘空间。硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区（存放文件数据）;另一个是inode区(inode table)（存放inode）。 每个inode节点的大小，一般是128byte或256byte。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。

2.4 d_inode

struct d_inode { unsigned short i_mode;//I结点的模式——如读、写、执行权限。 //i_mode一共10位，第一位表明结点文件类型，后9位依次为：I结点所有者、所属组成员、其他成员的权限（权限有读写执行三种）。 unsigned short i_uid; //I结点的user id。 unsigned long i_size; //I结点文件的大小。 unsigned long i_time; //I结点创建时间。 unsigned char i_gid; //I结点的组id。 unsigned char i_nlinks; //表明有多少进程链接到此结点。 unsigned short i_zone[9]; //文件数据对应在磁盘上的位置。 } 这里要说明一点：由于在Linux0.01内核中，数据最终是存放在磁盘上的。而磁盘存放数据的单位是块（block），大小为1KB。对于小于 7K 的文件，文件信息可直接反映在inode中。（I结点字段 i_zone 的前7个元素来存放前7块数据在磁盘上的地址）。对于大文件，inode 通过利用间接块的方式来支持。i_zone[7] 存放的是一级间接块的地址（一级间接块指向512个数据块），i_zone[8]存放的是二级间接块的地址（二级间接块指向512个一级间接块）。

正如图8 所展示的那般：Linux最大可以支持（7+512+512×512）KB ≈ 256.51MB 大小的文件。

2.5 m_inode

m_inode 是存放在内存中的I结点，会比 d_inode 多一些字段，具体字段如下： struct m_inode { unsigned short i_mode; unsigned short i_uid; unsigned long i_size; unsigned long i_mtime; unsigned char i_gid; unsigned char i_nlinks; unsigned short i_zone[9]; //以下是m_inode特有的字段 struct task_struct* i_wait; //task_struct是进程pCB结构。I结点的等待队列。 unsigned long i_atime; //文件上次访问时间。 unsigned long i_ctime; //I结点修改时间，注意和i_mtime区别。 unsigned short i_dev; //表明此结点所属的设备号。 unsigned short i_num; //I结点的结点号。 unsigned short i_count; //I结点被打开次数，主要用于判断文件是否共享！ unsigned char i_lock; //判断I结点是否被锁住。 unsigned char i_dirt; //判断I结点是否需要写回磁盘。 unsigned char i_pipe; //判断I结点是否为管道文件。 unsigned char i_mount; //如果有文件系统安装在此结点上，则置此位。 //以下字段Linux0.01版本没有用到。 unsigned char i_seek; //在lseek调用时置此位。 unsigned char i_update; };

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2.6 软链接、硬链接

正如图1 所展示的，通过文件名（带路径，不带路径极可能重复）在该文件的目录文件中找到其对应的目录项，文件名和inode号是唯一对应关系。凭着inode号在inode table找出对应的inode结点。

正如图9 所展示的，硬链接hardlink.c 和原文件helloa.c 指向都inode1，不管硬链接hardlink.c还是原文件helloa.c，都可以根据inode1访问block块；软链接softlink.c 指向inode2，通过inode2访问链接文件（该文件主要内容是原文件文件名），通过链接文件获得文件名，通过文件名获得inode1；根据inode1的信息，访问block块。链接文件和原文件是依存的关系。 文件是在磁盘上存放的，删除文件并不是真正删除磁盘上的文件，而是将block块对应的inode链接数减一，同时在目录文件中删除目录项。inode引用计数减到0时也不会真正去删除文件，而是等待新文件内容将其覆盖。

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软、硬链接不同点：

1. 硬链接原文件和新文件的inode编号一致。而软链接不一样。
2. 对原文件删除，会导致软链接不可用，而硬链接不受影响。这就是第一条性质导致的。

软、硬链接相同点：

1. 对原文件的修改，软、硬链接文件内容也一样的修改，因为都是指向同一个文件内容的。