Linux操作系统-磁盘管理

       Linux一切以文件的形式存储在磁盘上，硬盘管理对linux系统至关重要，直接影响数据的完整性及安全性，是运维工程师必备的技能之一。

一、计算机硬盘

1、机械硬盘（HDD）

机械硬盘内部由磁道、柱面、扇区、磁头等部件组成，通过移动磁头完成寻址与数据读写操作。

• 盘片（Platters）‌：

• 盘片上有磁道，磁道上再划分扇区，
• 由铝合金或玻璃制成，表面覆盖磁性材料。
• 数据以磁信号形式存储在同心圆磁道上，单盘可叠放1–5片。

• ‌磁头（Read/Write Heads）‌：

• 悬浮于盘片上方约 ‌5–10纳米‌ 处，通过电磁感应读写数据。
• 每面一个磁头，配合磁头臂运动。

• ‌主轴电机与音圈电机‌：

• 主轴电机驱动盘片高速旋转（常见 ‌5400/7200 RPM‌）。
• 音圈电机控制磁头臂径向移动，实现精准寻道。

• ‌其他组件‌：

• 控制电路板（含缓存DRAM、主控芯片）。
• 内部常充入过滤空气或氦气，防尘减阻。

工作方式‌：依赖‌机械运动‌——磁头需移动到目标磁道并等待扇区旋转到位，存在‌寻道延迟‌和‌旋转延迟‌

机械盘内部结构如下图：

2、固态硬盘（SSD）

• NAND闪存芯片‌：

• 核心存储介质，由‌浮栅晶体管‌构成，通过电荷状态表示二进制数据（0/1）。
• 采用‌3D堆叠技术‌，垂直堆叠可达100+层，提升容量‌26。

• ‌主控制器（Controller）‌：

    SSD的“大脑”，负责：  
• 错误校正（ECC）
• 垃圾回收（GC）
• 磨损均衡（Wear Leveling）
• 数据读写调度

• ‌DRAM缓存（可选）‌：

• 高端SSD配备，存储FTL（闪存转换层）映射表，加速寻址‌8。

• ‌接口电路‌：

• 支持SATA、NVMe（PCIe）等协议，M.2或2.5英寸形态‌8。

‌工作方式‌：‌全电子化操作‌，无任何运动部件，数据以电信号直接读写，‌延迟微秒级‌，支持并行访问‌

二、硬盘inode与block

       文件数据的存放包括两个部分：文件内容、权限及文件属性。

        操作系统文件存放是基于文件系统，文件系统会将文件的实际内容存储到Block中，而将权限与属性等信息存放至Inode中。

        在硬盘分区中，有一个超级块 (SuperBlock) ，SuperBlock会记录整个文件系统的整体信息，包括 Inode、Block 总量、使用大小、剩余大小等信息，每个 inode 与 block 都有编号对应，方便Linux系统快速定位查找文件。

1. Superblock：记录文件系统的整体信息，包括inode与block的总量、使用大小、剩余大小， 以及文件系统的格式与相关信息等；
2. Inode：记录文件的属性，权限，同时会记录该文件的数据所在的block编号；
3. Block：存储文件的内容，如果文件超过默认Block大小，会自动占用多个Block。

       因为每个 inode 与 block 都有编号，而每个文件都会占用一个 inode ，inode 内则有文件数据放置的 block 号码。如果能够找到文件的 inode，就可以找到该文件所放置数据的block号码，从而读取该文件内容。

三、绝对路径与相对路径

        绝对路径：绝对路径是以根“/”路径为起始的路径，如：/usr/local/

        相对路径：相对路径是与当前路径为起始的路径，如：./test1/testfile.txt   ../../log/test.log

四、软链接与硬链接

硬链接：硬链接是直接再建立一个inode链接到文件放置的块领域，即进行硬连接时该文件内容没有任何变化，只是增加了一个指向这个文件的inode，并不会额外占用磁盘空间，删除文件较为安全，也叫实体链接。

软链接：软链接是建立一个独立的文件，当读取这个链接文件时，它会把读取的行为转发到该文件所链接的文件上，相当于 windows 的快捷方式，也叫字符链接。

        硬链接限制：硬链接不能跨分区，因为各个分区有自己的inode table;硬链接不能做目录的硬链接。软链接没有这两个限制。

五、磁盘分区

在实际运维过程中，经常会遇到磁盘更换、添加磁盘等操作，在我们添加了一块新盘后我们要如何使用这块硬盘呢？一般需要经过磁盘分区、分区格式化、挂载分区等操作才能使用新加的磁盘。

磁盘分区主要有以下三种方式进行磁盘分区：

1、fdisk

fdisk：可以通过fdisk查看分区，创建分区、删除分区等操作。

fdisk -l 查看分区

下面添加一块磁盘进行磁盘分区演示：

添加了磁盘还没有分区

执行fdisk /dev/sdb对磁盘进行分区

b编辑bsd disklabel；

c切换dos兼容性标志；

d删除一个分区；

g创建一个新的空GPT分区表；

G创建一个IRIX（SGI）分区表；

l列出已知的分区类型；

m打印帮助菜单；

n添加一个新分区；

o创建一个新空DOS分区表；

p打印分区表信息；

q退出而不保存更改；

s创建一个新的空的Sun磁盘标签；

t更改分区的系统ID；

u更改显示/输入单位；

v验证分区表；

w将分区表写入磁盘并退出；

x额外功能。

再次查看分区可以看到新建的一个分区

2、gdisk

gdisk工具和fdisk很类似，都是对磁盘进行分区管理的开源工具。gdisk工具很擅长处理GPT分区方式。

最小化安装的系统需要手动安装gdisk

yum install -y gdisk

使用gdisk /dev/sdc创建分区：

3、parted

         parted 是 Linux 下功能强大的磁盘分区工具，‌支持 GPT 和 MBR 分区表，适合大容量磁盘（超过 2TB）分区。

# 确认磁盘状态 parted -l

parted创建分区可以用交互式和非交互式两种方式。

交互式创建分区：

parted /dev/sdd

mklabel gpt

mkpart primary ext4 0% 100%

print

非交互式创建分区：

创建GPT分区表并分区 parted /dev/sdd mklabel gpt parted /dev/sdd mkpart primary ext4 0% 100%

parted非交互式创建分区对于通过脚本进行自动化分区非常方便。

六、磁盘格式化

对磁盘/磁盘分区进行格式化，目前磁盘较常用的格式有：ext3,ext4,xfs. 有些地方已经开始使用btrfs

mkfs.ext4 /dev/sdc1

mkfs.xfs /dev/sdd1  

通过以上步骤我们做了分区，进行了分区格式化

可以使用lsblk 和blkid 分别查看磁盘分区与磁盘格式

七、磁盘挂载

磁盘经过分区、格式化后需要挂载到指定的目录才能使用其空间。

挂载方式如下：

临时挂载：

mount 分区 挂载目录

以上使用mount方式只是做临时挂载，系统重启后挂载会丢失，下面做重启后自动挂载，需要将磁盘挂载信息写入/etc/fstab文件中。

挂载信息： 磁盘分区|UUID=uuid  挂载点  分区格式  defaults  0 0

vi /etc/fstab

挂载信息写入后可以使用mount -a 验证是否可以正常挂载，如果执行mount -a 报错，需要对挂载信息进行排查，可能是相关参数写错。重启系统后发现磁盘挂载正常。

       本节介绍了磁盘类型、硬盘superblock/inode/block、相对路径与绝对路径、软硬链接、磁盘分区、格式化与磁盘挂载等内容。下一节将介绍逻辑卷LVM、磁盘阵列与软RAID。