為什麼要理解檔案系統#

檔案系統是作業系統管理磁碟資料的方式。你在終端中執行的每一個讀寫操作，底層都經過檔案系統的轉譯。理解檔案系統的結構，能讓你解釋許多實務中的現象：為什麼磁碟空間不足卻有剩餘、為什麼刪除大檔案後空間沒有釋放、為什麼硬連結不能跨分割區。

檔案系統的核心概念：inode 與 block#

索引式（Indexed）配置#

Linux 的檔案系統（如 EXT2/3/4、XFS）採用索引式配置，這是理解一切的關鍵：

  • inode（索引節點）：記錄檔案的屬性（權限、擁有者、大小、時間戳）以及指向 data block 的指標
  • data block：實際存放檔案內容的空間

每個檔案佔用一個 inode 和若干個 data block。檔案名稱不存在 inode 中——它存在目錄的 data block 裡（目錄其實就是一張「檔名 → inode 編號」的對照表）。

這個架構解釋了幾個重要現象：

  • 檔名不是檔案的一部分，它是目錄的內容。這就是為什麼「更名」是修改目錄、不是修改檔案
  • 同一個 inode 可以有多個檔名，這就是硬連結（hard link）
  • inode 數量有限，即使 block 空間還夠，inode 用完了也無法建立新檔案

EXT2 檔案系統的結構#

EXT2 將分割區劃分為多個 Block Group，每個 group 包含：

  1. Superblock：記錄整個檔案系統的全域資訊（block/inode 總量、使用量、檔案系統狀態等）
  2. Group Descriptor：描述該 group 的 block/inode bitmap 位置等
  3. Block Bitmap：標記哪些 block 已被使用
  4. Inode Bitmap：標記哪些 inode 已被使用
  5. Inode Table：存放所有 inode 的實際資料
  6. Data Blocks：存放檔案內容

Superblock 是檔案系統最關鍵的資料。如果 Superblock 損毀，整個檔案系統就無法掛載。因此 EXT 系列會在多個 Block Group 中保存 Superblock 的備份。

日誌式檔案系統（Journaling）#

EXT3/4 和 XFS 都是日誌式檔案系統。在寫入資料前，先將操作記錄到日誌區域（Journal），完成後再更新。如果寫入過程中發生斷電：

  • 非日誌系統：需要全面掃描檔案系統一致性（fsck），耗時長
  • 日誌系統：只需回放日誌，快速回復一致狀態

這就是為什麼現代 Linux 幾乎都使用日誌式檔案系統。對於需要高可靠性的伺服器環境，這是必要的保障。

XFS 檔案系統#

CentOS 7 將預設檔案系統從 EXT4 改為 XFS，主要特點：

  • 高效能：特別擅長處理大檔案與高並行 I/O
  • 三個區段：資料區段（data section）、日誌區段（log section）、即時運算區段（realtime section）
  • 只能擴張不能縮小：這是 XFS 的主要限制
  • 動態分配 inode：不像 EXT 系列在格式化時就固定 inode 數量

Linux VFS（虛擬檔案系統）#

Linux 支援數十種檔案系統（EXT4、XFS、Btrfs、NTFS、FAT32 等），但使用者和程式不需要關心底層用的是哪一種。**VFS（Virtual Filesystem Switch）**提供了統一的介面，所有的檔案操作都透過 VFS 轉譯到對應的檔案系統驅動程式。

VFS 的存在是 Linux「一切皆檔案」哲學的技術基礎。你的程式用同樣的 open()/read()/write() 系統呼叫，無論底層是本地磁碟、網路檔案系統（NFS）、還是虛擬的 /proc。

硬連結與符號連結#

硬連結是讓多個檔名指向同一個 inode。因為指向同一個 inode，所以：

  • 修改任何一個檔名的內容，其他檔名也會看到變化
  • 刪除其中一個檔名，只要還有其他檔名指向該 inode，資料就不會消失
  • 不能跨檔案系統（因為不同檔案系統的 inode 編號是獨立的）
  • 不能對目錄建立硬連結（避免造成目錄迴圈）

符號連結是一個獨立的檔案，內容是另一個檔案的路徑。類似 Windows 的捷徑：

  • 有自己獨立的 inode
  • 可以跨檔案系統
  • 可以指向目錄
  • 如果原始檔案被刪除，符號連結就會變成斷鏈（dangling link）

在實務中，符號連結的使用遠多於硬連結。例如：/usr/bin/python 通常是一個指向特定版本 Python 的符號連結，方便版本切換。

磁碟的掛載與卸載#

將一個檔案系統連接到目錄樹的過程稱為掛載（mount）。掛載的要點：

  • 掛載點必須是一個已存在的目錄
  • 掛載後，該目錄原有的內容會被暫時隱藏
  • 同一個檔案系統不應掛載到多個掛載點
  • /etc/fstab 定義了開機時自動掛載的檔案系統

swap 空間#

Swap 是磁碟上的一塊空間，作為記憶體不足時的緩衝。當實體記憶體用完時，核心會將不常用的記憶體頁面換出到 swap，騰出空間給更需要的程式。

Swap 不是記憶體的替代品。磁碟的 I/O 速度比記憶體慢幾個數量級，頻繁使用 swap 代表系統效能已經嚴重下降。在記憶體充足的伺服器上，swap 主要是作為最後的安全網。