磁盘，块设备，磁盘分区，文件系统

当磁盘(disk) 挂载到 Liunx 系统时，它只是一个块设备，虽然 Linux 也将其映射为一个 /dev/ 下的存储设备文件，但是其和我们通常说的文件系统文件不是一回事。

比如磁盘对应的存储文件为 /dev/vdb，你可打开、读取、写入这个设备文件，但是这时的访问单元是块，而且只能指定地址去访问块数据，得到的是磁盘上存储的原始数据，而无法按文件系统的方式去组织数据，比如无法做在 /dev/vdb 下新建目录，在目录中新建文件，指定路径访问文件等操作。

我们一般说的文件，其实是文件系统的抽象概念，文件系统在块设备之上，对用户更加友好。文件系统按目录组织文件，实际上内容还是存储在块设备上，当读写文件系统文件时，文件系统也是通过指定地址读取块设备，只不过文件系统除了文件本身的内容外，会额外存储关于文件组织的元信息，比如目录、权限等信息。

不同文件系统有不同组织方式，比如 linux 上常见的 ext4 和 xfs 文件系统。空白的块设备需要经过格式化，组织并写入文件系统需要预设置的内容，才可以按该文件系统的方式访问。

mount 命令将格式化后的存储设备，按照格式化使用的文件系统类型，挂载到全局目录树的一个路径节点上，之后我们才能通过这个路径，访问并读写这个存储设备上文件系统下的文件。

磁盘分区可以在逻辑上将一个磁盘设备切分成多个设备，一个磁盘上不同的分区都可以看作是不同的设备，磁盘分区本身不是必须做的。

添加新硬盘

添加新硬盘的整体流程为：

  1. 通过 fdisk -l 查看磁盘设备
  2. 可选 使用 fdisk 对磁盘设备划分逻辑分区
  3. 使用 mkfs 格式化/创建文件系统
  4. 将设备挂载到目录

查看磁盘设备信息

列出当前系统中所有的硬盘设备及其分区信息：

$ fdisk -l
Disk /dev/vda: 20 GiB, 21474836480 bytes, 41943040 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x013315e2

Device     Boot Start      End  Sectors Size Id Type
/dev/vda1  *     2048 41943006 41940959  20G 83 Linux


Disk /dev/vdb: 50 GiB, 53687091200 bytes, 104857600 sectors
Units: sectors of 1 * 512 = 512 bytes
Sector size (logical/physical): 512 bytes / 512 bytes
I/O size (minimum/optimal): 512 bytes / 512 bytes
Disklabel type: dos
Disk identifier: 0x3cd16b5a

Device     Boot Start       End   Sectors Size Id Type
/dev/vdb1        2048 104857599 104855552  50G 83 Linux

各列的含义：

  • Disk: 硬盘的设备文件名
  • Device: 分区的设备文件名称（Device 是从 Disk 创建的分区）
    • Boot: 是否为引导分区
    • Start: 该分区在硬盘中的起始位置（柱面数）
    • End: 该分区在硬盘中的结束位置（柱面数）
    • Blocks/Sectors: 分区的大小，以 Blocks 为单位（默认为 1024 bytes）
    • Id: 分区的类型 ID 标记（对于 ext3 分区为 83，LVM 分区为 8e）
    • System/Type: 分区类型

其他相关命令

  • lsblk: 查看设备文件类型，容量，挂载点等信息
  • blkid: 查看设备文件 UUID，块大小，文件系统等信息。

创建磁盘分区 fdisk

磁盘分区不是必须创建 的，比如我们有磁盘设备 /dev/vdb，我们可以直接对 /dev/vdb 做文件系统。

进入交互的分区管理界面，在硬盘设备中创建、删除、更改分区：

$ fdisk <硬盘设备文件名>

常用交互操作指令有：

  • m: 打印操作指令的帮助信息
  • p: 打印分区信息
  • n: 新建分区
  • d: 删除分区
  • t: 变更分区类型/更改分区的系统 ID

  • l: 列出已知的分区类型

  • w: 保存分区设置并退出

  • q: 放弃分区设置并退出

  • b: 编辑 bsd disklabel

  • c: 切换 dos 兼容性标志

  • g: 创建一个新的空 GPT 分区表
  • G: 创建一个 IRIX（SGI）分区表
  • o: 创建一个新空 DOS 分区表

  • s: 创建一个新的空的 Sun 磁盘标签

  • u: 更改显示/输入单位
  • v: 验证分区表
  • x: 额外功能

如果我们要创建磁盘分区，先输入 n，根据提示进行选择，结束后输入 l 查看创建分区信息，最后输入 w 保存分区设置并退出。

格式化/创建文件系统 mkfs

格式化并创建文件系统：

$ mkfs.ext4 <设备文件名>

mkfs 有不同文件系统支持，例如：

$ mkfs.ext4 /dev/sdb1

$ mkfs.xfs /dev/sdb1

挂载文件系统到目录 mount/umount

将设备文件格式化为文件系统后，需要将设备文件 「挂载」到全局目录树的节点上，才能通过这个节点路径，访问存储设备中的目录、文件等数据。

$ mount [-t 类型] <存储设备> <挂载点目录>

使用不带任何参数或选项的 mount 命令时，将显示出当前系统中已挂载的各个文件系统的相关信息。

proc、sysfs、tmpfs 等文件系统是 Linux 运行所需要的临时文件系统，并没有实际的硬盘分区与其相对应，因此也称为 「伪文件系统」。例如 proc 映射了内存及 cpu 寄存器中的部分数据。

/etc/fstab 文件包含了开机后自动挂载的文件记录，可视为 mount 命令的配置文件。其中存储了文件系统的静态挂载数据。Linux 系统每次开机时，会自动读取这个文件的内容，自动挂载所指定的文件系统。

在 /etc/fstab 文件中，每一行记录对应一个分区或设备的挂载配置信息，从左到右包括六个字段（使用空格或制表符分隔），各部分的含义如下所述：

  • 第一字段：设备名或设备卷标名。
  • 第二字段：文件系统的挂载点目录的位置。
  • 第三字段：文件系统类型，如 ext4, swap 等。
  • 第四字段：挂载参数，即 mount 命令 -o 选项后可使用的参数，如 defaults、rw 等。
  • 第五字段：表示文件系统是否需要 dump 备份，一般设为 1 时表示需要，设为 0 时将被 dump 所忽略。
  • 第六字段：该数字用于决定在系统启动时进行磁盘检查的顺序，0 表示不进行检查，1 表示优先检查，2 表示其次检查。对于根分区应设为 1，其他分区设为 2.

例如：

磁盘设备 挂载点目录 文件系统 挂载选项 dump 选项 fsck 选项
/dev/sdb /data1 ext4 defaults,noatime 0 0

umount 命令取消挂载关系：

$ umount <挂载点目录>

如果出现 device is busy 错误，表示该文件系统正在被使用，可以用以下命令查看使用文件系统的进程：

$ fuser -m <挂载点目录>
$ lsof <挂载点目录>

LVM(Linux Volume Manager)

基本概念

  • PV（Physical Volume，物理卷）：通常对应为一个普通分区或整个硬盘，是 LVM 机制的基本存储设备。创建物理卷时，会在分区或硬盘的头部创建一个保留区块，用于记录 LVM 的属性，并把存储空间分割成默认大小为 4MB 的基本单元 PE，从而构成物理卷。物理卷一般直接使用设备文件名称，如 /dev/sdb1、/dev/sdb2 等。用于转换成物理卷的普通分区，建议先使用 fdisk 工具将分区类型的 ID 标记号改为 “8e”。若是整块硬盘，可以将所有磁盘空间划分为一个主分区后再作相应调整。
  • VG（Volume Group，卷组）：由一个或多个物理卷组成一个整体，即成为卷组，在卷组中可以动态地添加或移除物理卷。许多个物理卷可以分别组成不同的卷组，卷组名称由用户自行定义。
  • LV（Logical Volume，逻辑卷）：逻辑卷是建立在卷组之上的，与物理卷没有直接关系。对于逻辑卷来说，每一个卷组就是一个整体，从这个整体中 “切出” 一小块空间，作为用户创建文件系统的基础，这一小块空间就称为逻辑卷。使用 mkfs 等工具在逻辑卷上创建文件系统以后，即可挂载到 Linux 系统中的目录下使用。

通过上述对物理卷、卷组、逻辑卷的解释可以看出，建立 LVM 分区管理机制的过程就是：

  1. 首先，将普通分区或整个硬盘创建为物理卷；
  2. 接下来，将物理上比较分散的各物理卷的存储空间组成一个逻辑整体，即卷组；
  3. 最后，基于卷组这个整体，分割出不同的数据存储空间，形成逻辑卷。而逻辑卷才是最终用户可以格式化并挂载使用的存储单位。

管理命令

功 能 物理卷管理 卷组管理 逻辑卷管理
Scan 扫描 pvscan vgscan lvscan
Create 建立 pvcreate vgcreate lvcreate
Display 显示 pvdisplay vgdisplay lvdisplay
Remove 删除 pvremove vgremove lvremove
Extend 扩展   vgextend lvextend
Reduce 减少   vgreduce lvreduce

主要命令的语法：

$ pvcreate [--dataalignment 512k] /dev/sdb
$ vgcreate <vgname>  物理卷名1 物理卷名2
$ lvcreate -L 大小 -n <vgname> <lvname>
$ lvextend -L 大小 -f /dev/<vgname>/<lvname>
$ lvreduce -L 大小 -f /dev/<vgname>/<lvname>
$ lvremove -f /dev/<vgname>/<lvname>
$ vgs
$ vgs --units G
$ lvs

创建的 vg 在 /dev 下，创建的 lg 在 /dev/<vg_name> 下