Linux 入门教程（八）：磁盘管理与文件系统深入解析

大家好！在上一节，我们聊到了软件包管理工具，今天我们将进入一个更“硬核”的领域——磁盘管理与文件系统。这可能听起来很复杂，但放心，我们会以通俗易懂、幽默风趣的方式来解释，不用担心，你不会被硬盘和分区搞得头晕目眩的！😎

为了让你更好地理解，我们会不时做一些和 Windows 的对比，因为很多人对 Windows 的磁盘管理比较熟悉。接下来，我们将了解 Linux 系统的磁盘管理、文件系统，和一些常见的命令工具，跟着我们一起动手玩转磁盘吧！

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一、Linux 文件系统概述

首先，让我们来聊聊文件系统。简而言之，文件系统就像是一个魔术师，它决定了文件如何在磁盘上保存和管理。在 Linux 和 Windows 中，虽然最终的目标是存储文件，但它们的工作方式和机制是完全不同的。

Windows 文件系统 VS Linux 文件系统

• Windows 系统使用的是 NTFS（New Technology File System）。它的优势在于支持大文件、权限管理、加密等功能。但 NTFS 是为桌面用户设计的，相比之下，它在跨平台兼容性、性能优化等方面做得不如 Linux 的一些文件系统。
• Linux 系统使用的文件系统种类较多，其中最常用的是 ext4（第四代扩展文件系统）。Linux 文件系统的设计理念通常是模块化、可靠性和性能优化，且在跨平台兼容性上更强。

Linux 文件系统的优势

1. 性能：Linux 文件系统（如 ext4）经过精心设计，处理大量小文件时非常高效。
2. 灵活性：Linux 文件系统通常支持更多的功能和扩展，如符号链接、硬链接等。
3. 可靠性：Linux 文件系统提供了更强的容错能力和修复机制。
4. 开源与自由：Linux 文件系统的源代码开放，允许用户自由修改和优化。

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二、常见的 Linux 文件系统及特点

虽然 Linux 支持多种文件系统，但以下几种是最常用的：

1. ext4：这是 Linux 中最常用的文件系统，是 ext3 的继任者。相比于 ext3，ext4 提供了更高的性能、更大的容量支持和更好的数据恢复能力。它适用于大多数桌面和服务器应用。
   • 特点：大文件支持、高性能、日志记录、数据一致性、动态分配。
2. Btrfs：这是一个较新的文件系统，旨在提供更高的可扩展性和灵活性，支持快照、子卷等高级功能。
   • 特点：支持快照、压缩、数据冗余、文件系统的自我修复。
3. XFS：这是一个高性能的文件系统，尤其擅长处理大文件。常用于企业级应用。
   • 特点：高性能、大文件支持、日志记录。
4. F2FS：这是一个面向闪存存储（如 SSD）的文件系统，优化了闪存的读写性能。
   • 特点：专为 SSD 优化、低延迟、高吞吐量。

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三、着重介绍 ext4 文件系统

我们这次主要关注 ext4 文件系统，它是大多数 Linux 发行版的默认文件系统。要了解它，我们先从历史开始。

ext4 文件系统的历史

• ext2：最初的 Linux 文件系统，广泛应用于 1990 年代末到 2000 年初。虽然它稳定且功能丰富，但在处理大数据时并不是最优。
• ext3：是 ext2 的增强版，引入了日志（journal）功能，用于提高文件系统的可靠性。但在大文件处理、性能等方面，它还是有些不足。
• ext4：作为 ext3 的继任者，ext4 在性能、容量和功能上都有了显著提升，现已成为大多数 Linux 发行版的标准文件系统。

ext4 的优势

• 大文件支持：ext4 支持单个文件最大 16 TiB，整个文件系统最大支持 1 EiB（远超一般应用需求）。
• 性能提升：ext4 通过延迟分配、日志写入等机制，优化了磁盘性能。
• 数据一致性：通过日志功能，ext4 能够保证数据的一致性，防止突然断电或崩溃时数据损坏。

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四、Swap 交换空间

接下来，我们要介绍一个让很多 Linux 新手头疼的概念——swap。

什么是 Swap？

Swap（交换空间）是 Linux 系统用来处理内存不足的一种技术。它是磁盘上的一块预留空间，用来临时存储当内存（RAM）不够用时的数据。

为什么需要 Swap？

当你的 RAM 满了，系统就会把一些暂时不用的内存数据“换”到 swap 空间中，从而为正在运行的程序腾出更多内存。虽然这个过程比直接使用 RAM 慢很多，但它能保证系统不会因为内存耗尽而崩溃。

Swap 和 RAM 的关系

• RAM：存储当前运行的程序数据，速度非常快。
• Swap：磁盘上的临时存储，速度远慢于 RAM，但能为系统提供额外的内存空间。

通常，在 Linux 系统上，swap 空间是由一个单独的分区或者一个 swap 文件构成。

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五、Linux 设备表示方法

在 Linux 中，设备 是通过文件进行表示的，每个设备都有一个对应的文件。例如，硬盘、USB 驱动器、光盘等设备都可以作为文件来访问。

• 硬盘设备：通常，硬盘分区会被表示为 /dev/sda1、/dev/sda2 等，表示硬盘的第一个、第二个分区。
• USB 设备：类似地，USB 驱动器会被表示为 /dev/sdb、/dev/sdc 等。

这些设备文件存在于 /dev 目录下，设备文件的名字通常依赖于硬件的顺序。

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六、挂载文件系统（mount）

在 Linux 中，磁盘或分区必须挂载到文件系统上，才能访问其中的数据。挂载就像是将一个硬盘“接入”到系统中，系统才知道如何管理这些数据。

使用 mount 命令挂载文件系统

假设你有一个名为 /dev/sda1 的分区，你想挂载它到 /mnt/data 目录下，命令如下：

sudo mount /dev/sda1 /mnt/data

这样，你就能通过 /mnt/data 路径访问这个分区的内容了。

查看当前挂载的文件系统

要查看当前系统上所有挂载的文件系统，使用 mount 命令：

mount

卸载文件系统（umount）

当你不再需要访问某个文件系统时，需要将其卸载。卸载文件系统就像是将它从系统中“拔出”。注意，卸载文件系统时，你不能在该文件系统中打开任何文件或文件夹。

sudo umount /mnt/data

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七、启动时自动挂载（编辑 /etc/fstab）

在 Linux 启动时，某些文件系统需要自动挂载，这个过程通过 /etc/fstab 文件来管理。

编辑 /etc/fstab 文件

/etc/fstab 文件是一个文本文件，定义了在启动时需要挂载的所有文件系统。你可以通过编辑这个文件来指定系统启动时自动挂载某些分区。

1. 打开 /etc/fstab 文件：

   sudo nano /etc/fstab
   

2. 添加一行来自动挂载分区。例如，假设你希望在启动时自动挂载 /dev/sda1 到 /mnt/data，可以添加如下内容：

   /dev/sda1    /mnt/data    ext4    defaults    0    2
   

   其中：

   • /dev/sda1：设备
   • /mnt/data：挂载点
   • ext4：文件系统类型
   • defaults：挂载选项
   • 0：表示不需要备份
   • 2：表示文件系统的检查顺序（根文件系统通常是 1，其他文件系统通常是 2）

3. 保存并退出。下次启动时，/dev/sda1 会自动挂载到 /mnt/data。

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八、查看磁盘使用情况（df）

想知道系统磁盘是否快满了？使用 `

df` 命令可以快速查看磁盘的使用情况。

df -h

• -h 选项让结果以易读的形式（例如 GB、MB）显示出来。
• -t选项可以指定某个指定的硬盘或文件系统，如只查看ext4分区使用情况可以这样 df -t ext4

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九、检查和修复文件系统（fsck）

如果磁盘出现问题（如突然断电导致的文件系统错误），你可以使用 fsck 命令来检查和修复文件系统。

sudo fsck /dev/sda1

这个命令会扫描文件系统并修复任何错误。

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十、建立文件系统（mkfs）

当你准备格式化一个分区并建立新的文件系统时，使用 mkfs 命令。例如，要在 /dev/sda1 上创建 ext4 文件系统：

sudo mkfs.ext4 /dev/sda1

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总结

通过今天的学习，我们了解了 Linux 的文件系统、swap、磁盘管理以及常用的命令工具。这些工具和概念是你深入了解和管理 Linux 系统的重要基础。希望通过今天的教程，你对 Linux 磁盘管理有了更清晰的理解，并且能更好地利用这些工具为你的系统提供高效和稳定的支持！