《 Linux操作系统（第四版）》 课件 第5章 磁盘文件系统管理

第5章磁盘文件系统管理本章导读磁盘与文件系统是Linux存储体系的底层支撑。本章讲解文件系统类型与结构、磁盘分区（fdisk/parted）与格式化挂载，以及逻辑卷管理（LVM）的动态扩容机制，并介绍交换空间与/etc/fstab自动挂载配置。学完本章，你将能够规划磁盘分区、构建文件系统并完成灵活的存储管理。学完本章，您将能够01.说明Linux常见文件系统类型（XFS/ext4等）的特点与适用场景。02.使用fdisk/parted完成磁盘分区，理解MBR与GPT分区表的差异。03.使用mkfs创建文件系统，用mount/umount挂载卸载并配置/etc/fstab。04.阐述LVM原理，运用pv/vg/lv命令完成逻辑卷的创建、扩容与缩容。05.配置和管理交换空间，掌握磁盘与文件系统故障排查的基本命令。第5章磁盘文件系统管理01.文件系统概述理解文件系统的组成与常见类型，掌握文件系统的创建与挂载。02.磁盘与逻辑卷管理运用fdisk/parted分区，借助LVM实现存储空间的动态管理。03.文件系统维护配置/etc/fstab自动挂载与交换空间，进行基础的磁盘检查与修复。5.1文件系统概述文件系统的基本概念Linux文件系统类型5.1.1文件系统的基本概念Linux中的文件系统是Linux下所有文件和目录的集合。Linux系统中把CPU、内存之外所有其他设备都抽象为文件处理。文件系统的优劣与否和操作系统的效率、稳定性及可靠性密切相关。从系统角度看，文件系统实现了对文件存储空间的组织和分配，并规定了如何访问存储在设备上的数据。文件系统在逻辑上是独立的实体，它可以被操作系统管理和使用。5.1.1文件系统的基本概念Linux的内核使用了虚拟文件系统VFS（VirtualFileSystem）技术，即在传统的逻辑文件系统的基础上，增加了一个称为虚拟文件系统的接口层。虚拟文件系统用于管理各种逻辑文件系统，它屏蔽了各种逻辑文件系统之间的差异，为用户命令、函数调用和内核其他部分提供了访问文件和设备的统一接口，使不同的逻辑文件系统按照同样的模式呈现在设备使用者面前。对普通用户来说，觉察不到不同逻辑文件系统之间的差异，可以使用同样的命令来操作不同逻辑文件系统中的文件。5.1.1文件系统的基本概念Linux下的文件系统主要分为三大块；一是上层的文件系统的系统调用；二是虚拟文件系统VFS；三是挂载到VFS中的各种实际文件系统，例如EXT4、XFS等，如图所示。5.1.1文件系统的基本概念VFS是一种软件机制，也可以称它为Linux的文件系统管理者，与它相关的数据的结构只存在于物理内存中。在每次系统初始化期间，Linux都先要在内存中构建一棵VFS目录树（在Linux的源代码里称为namespace），实际上便是在内存中建立相应的数据结构。VFS目录树在Linux的文件系统模块中是一个很重要的概念，VFS中的各目录的主要用途是用来提供实际文件系统的挂载点。5.1.1文件系统的基本概念Linux不使用设备标识符来访问独立文件系统，而是通过一个将整个文件系统表示成单一实体的层次树结构来访问它。Linux在使用一个文件系统时都要将它加入文件系统层次树中。不管文件系统属于什么类型，都被连接到一个目录上且此文件系统上的文件将取代此目录中已存在的文件，这个目录被称为挂载点或者安装目录。当卸载此文件系统时，这个安装目录中原有的文件将会再次出现。5.1.2Linux文件系统类型文件系统类型ext4：文件系统提升了性能、可靠性与容量，新增元数据和日志校验和，优化时间戳；将数据分配改为扩展区模式，减少大文件指针开销。它通过分散文件、均匀分配、预分配空间、延迟分配等多种策略，降低磁盘文件碎片，减少磁头查找与旋转延迟。。XFS：高吞吐、适合大容量与并行I/O，是openEuler及主流企业发行版本默认采用的文件系统类型。从CentOS7开始Linux原来默认的ext4文件系统已经更换为XFS文件系统。swap：虚拟内存扩展空间，在Linux中作为交换分区的文件系统使用。网络文件系统（NetworkFileSystem，NFS）。ISO9660是光盘文件使用的标准文件系统。5.2磁盘管理

在Linux系统中使用的文件系统，一般会在安装系统时创建完成。在遇到需要调整现有分区大小或者创建新的文件系统的情况下，可以遵循以下步骤来实现对文件系统的调整：在新的存储设备（硬盘）上创建分区。在分区上创建文件系统，类似在Windows下对分区进行格式化操作。挂载文件系统到现行系统中。在新的分区中创建文件系统后，将该文件系统挂载到相应录下即可使用。文件系统使用完毕以后可以根据需要进行卸载。类似于移动硬盘这样的存储设备上的文件系统被使用完毕后，应该先进行文件系统的卸载，再取走设备。5.2磁盘管理

磁盘分区类型使用fdisk分区操作使用parted分区操作5.2.1磁盘分区类型硬盘有两种分区格式：MBR（MasterBootRecord，主引导记录）和GPT（GloballyuniqueidentifierPartitionTable，全局唯一标识磁盘分区表）。MBR和GPT的区别：①MBR分区表最多只能识别2.2TB大小的硬盘空间，大于2.2TB的硬盘空间将无法识别；GPT分区表能够识别2.2TB以上的硬盘空间。②MBR分区表最多支持4个主分区或三个主分区+1个扩展分区（扩展分区中的逻辑分区个数不限）；默认情况GPT分区表最多支持128个主分区。③MBR分区表的大小是固定的；在GPT分区表头中可自定义分区数量的最大值，也就是说GPT分区表的大小不是固定的。5.2.1磁盘分区类型MBR分区MBR是硬盘的第一扇区，包含已安装操作系统的启动加载器和驱动器的逻辑分区信息。它由三部分组成：启动加载器（bootcode）、DPT（DiskPartitionTable，硬盘分区表）和硬盘有效标志（Magicnumber）。在总共512字节的MBR里启动加载器占446个字节，偏移地址0000H–0088H），负责从活动分区中装载并运行系统引导程序；DPT占64个字节；硬盘有效标志占2个字节（55AA）。5.2.1磁盘分区类型MBR格式的硬盘可以划分为三种分区：主分区（PrimaryPartition）、扩展分区（ExtensionPartition）和逻辑分区（LogicalPartition）。一个硬盘最多有4个主分区，如果有扩展分区，那么扩展分区也算是一个主分区，只可以将一个主分区变成扩展分区，在扩展分区上，可以以链表方式建立逻辑分区。Linux对一块IDE硬盘最多支持到63个分区，SCSI硬盘支持到15个。5.2.1磁盘分区类型GPT分区GPT是可扩展固件接口（UEFI）标准的一部分，用来替代BIOS所对应的MBR分区表。采用GPT的硬盘分区如图所示。每个逻辑块（LBA，LogicalBlockAddress）是512字节（一个扇区），每个分区的记录为128字节。负数的LBA地址表示从最后的块开始倒数，-1表示最后一个块。5.2.2使用fdisk分区操作fdisk是Linux下传统的分区工具，工具老旧，但是简单便利是其优点。常用的fdisk这个工具对分区是有大小限制的，它只能划分小于2T的磁盘。fdisk操作硬盘的命令格式如下：fdisk[选项]<磁盘> //更改分区表fdisk[选项]-l<磁盘> //列出分区表fdisk-s<分区> //给出分区大小（块数）功能：分割硬盘工具，查看硬盘分区信息，即fdisk是一个分割硬盘的工具程序，可以处理Linux分区和各种非Linux分区。5.2.3使用parted分区操作常用的fdisk这个工具对分区是有大小限制的，它只能划分小于2T的磁盘，所以在划大于2T磁盘分区的时候fdisk就无法满足要求了；这个时候就是通过parted工具来实现对GPT磁盘进行分区操作。5.2.3使用parted分区操作1.非交互模式命令格式

parted选项设备子命令常用选项说明

-h选项可显示帮助信息。

-l选项可列出所有块设备的分区情况。

-m选项表示进入交互模式。

-s选项表示不显示用户提示信息。

-v选项可显示parted的版本信息。

-a选项是为新创建的分区设置对齐方式。5.2.3使用parted分区操作2.交互模式命令格式

parted设备parted命令可以使用“#parted设备名”命令格式进人交互模式。如略设备名，则默认对当前硬盘进行分区。进入交互模式后，可以如下操作所示对磁盘分区进行管理。5.2.3使用parted分区操作3.分区管理使用parted交互模式中所提供的各种指令，可以对磁盘的分区进行管理。通过执行“#parted/dev/sdb”命令，可以在交互模式下完成以下操作。

（1）查看分区情况

（2）选择硬盘

（3）指定分区表类型

（4）指定硬盘容量单位

（5）创建分区5.2.3使用parted分区操作

（6）更改分区大小

（7）删除分区

（8）拯救分区

（9）设置分区名称

（10）设置分区标记

（11）设置硬盘标记

（12）检查分区对齐情况

（13）退出分区命令5.3逻辑卷管理LVM相关概念管理LVM5.3.1LVM相关概念LVM概念LVM是逻辑卷管理（LogicalVolumeManager）的简称，是Linux环境下对磁盘分区进行管理的一种机制。LVM是建立在硬盘或分区之上的一个逻辑层，为文件系统屏蔽下层磁盘分区布局，从而提髙破盘分区管理的灵活性。通过LVM系统，管理员可以轻松管理磁盘分区，如将若干个磁盘分区连接为一个整块的卷组（volumegroup）形成一个存储池。管理员可以在卷组上随意创建逻辑卷（logvolume），并进一步在逻辑卷上创建文件系统。管理员通过LVM可以方便地调整卷组的大小，并且可以对磁盘存储按照组的方式进行命名、管理。向系统添加了新的磁盘后，管理员不必将磁盘的文件移动到新的磁盘上以充分利用新的存储空间，而是通过LVM直接扩展文件系统跨越磁盘即可。5.3.1LVM相关概念LVM基本术语（1）物理卷（PhysicalVolume，PV）物理卷在LVM系统中处于最底层。物理卷可以是整个硬盘、硬盘上的分区，或从逻辑上与磁盘分区具有同样功能的设备（如RAID）。物理卷是LVM的基本存储逻辑块，但和基本的物理存储介展（如分区、磁盘等）比较，却包含有与LVM相关的管理参数。5.3.1LVM相关概念LVM基本术语（2）卷組（VolumeGroup，VG)卷组建立在物理卷之上，由一个或多个物理卷組成。卷组创建之后，可以动态地添加物理卷到卷组中，在卷组上可以创建一个或多个LVM分区（逻辑卷）。一个LVM系统中可以只有一个卷組，也可以包含多个卷组。LVM管理的卷组类似于非LVM系统中的物理硬盘。5.3.1LVM相关概念LVM基本术语（3）逻辑卷(LogicalVolume，LV)逻辑卷建立在卷组之上，是从卷组中“切出"的一块空间。逻辑卷创建之后，其大小可以伸缩。LVM的逻辑卷类似于非LVM系统中的硬盘分区，在逻辑卷之上可以建立文件系统（如/home或者/usr等）。5.3.1LVM相关概念LVM基本术语（4）物理区域（PhysicalExtent，PE）每一个物理卷被划分为基本单元（PE），具有唯一编号的PE是可以被LVM寻址的最小存储单元。PE的大小可根据实际情况在创建物理卷时指定。PE的大小一旦确定将不能改变，同一个卷组中所有物理卷的PE大小一致。5.3.1LVM相关概念LVM基本术语（5）逻辑区域（LogicalExtent，LE）逻辑区域也被划分为可被寻址的基本单位（称为LE）。在同一个卷组中，LE的大小和PE是相同的，并且一一对应。5.3.1LVM相关概念openEuler下的LVMopenEuler实现LVM的软件包名为lvm2，且是被默认安装的。软件包lvm2中提供了一系列的LVM工具，其中lvm是一个交互式管理的命令行接口，同时提供了非交互的管理命令，如表所示。5.3.2管理LVM1.创建卷创建物理卷：pvcreate<磁盘或分区设备名>创建卷组：vgcreate<卷组名><物理卷设备名>创建逻辑卷：lvcreate<-L逻辑卷大小><-n逻辑卷名><卷组名>或lvcreate<-lPE值><-n逻辑卷名><卷组名>。指定逻辑卷大小时可以使用的单位有∶k/K、m/M、g/G、t/T。在创建逻辑卷时可以使用选项<-1PE值>指定逻辑卷的大小。PE值可以通过vgdisplay|grep“FreePE”获得。5.3.2管理LVM2.查看卷查看物理卷：pvdisply<物理卷设备名>，省略设备名将显示所有物理卷查看卷组：vgdisplay<卷组名>，省略设备名将显示所有卷组查看逻辑卷lvdisply<逻辑卷卷设备名>，省略设备名将显示所有逻辑卷名5.3.2管理LVM3.调整卷扩展卷组：vgextend<卷组名><物理卷设备名>，将指定的物理卷添加到卷组中缩减卷组：vgreduce<卷组名><物理卷设备名>，将指定的物理卷从卷组中移除扩展逻辑卷：lvextend<-L-逻辑卷增量><逻辑卷设备名称>或lvextend<-l-PE值><逻辑卷设备名称>，扩展逻辑卷之后才能扩展逻辑卷上的文件系统的大小缩减逻辑卷：lvreduce<-L-逻辑卷增量><逻辑卷设备名称>或lvreduce<-1-P值><逻辑卷设备名称>，缩减逻辑卷之前一定要先缩减逻辑卷上的文件系统的大小5.4文件系统创建与使用创建文件系统文件系统的挂载与卸载5.4.1创建文件系统一般情况下，完整的Linux系统文件是在系统安装时建立的，只有在新添加了硬盘或软盘等存储设备时，才需要为它们建立文件系统。Linux文件系统的建立是通过mkfs命令实现的。创建文件系统命令的格式：#mkfs.xfs

<设备名>5.4.2挂载与卸载1.使用mount命令挂装文件系统挂载由mount命令来完成，可以灵活的挂载各种类型的文件系统。命令格式：mount[选项][设备名][挂载点]选项功能说明-tfstype指定要挂载的文件系统的类型，如果不清楚，可以使用-tauto让系统自己选择最合适的文件系统类型挂载-r以只读的方式挂载文件系统-w以读写的方式挂载文件系统，默认选项-o设置挂载属性-a挂载/etc/fstab文件中记录的设备5.4.2挂载与卸载2.自动挂载对固定设备采用手动挂载的方式略显麻烦，可以通过开机自动挂载文件系统。控制Linux系统在启动过程中自动挂载文件系统的配置文件是/etc/fstab，系统启动时将读取该配置文件，并按文件中的信息来挂载相应文件系统。5.4.2挂载与卸载/etc/fstab中存放了与分区有关的重要信息，其中每一行为一个分区记录，每一行又可分为六个部份：第一项是您想要mount的储存装置的实体位置第二项就是您想要将其加入至哪个目录位置这其实就是在安装时提示的挂载点第三项就是所谓的localfilesystem，其包含了以下格式：如ext、ext2、msdos、iso9660、nfs、swap等第四项就是mount时，所要设定的状态，如ro（只读）或defaults第五项是提供DUMP功能，在系统DUMP时是否需要BACKUP的标志位，其内定值是0第六项是设定此filesystem是否要在开机时做check的动作，除了root的filesystem其必要的check为1之外，其它皆可视需要设定，内定值是0。5.4.2挂载与卸载3.使用umount命令卸载文件系统文件系统可以被挂载，也可以被卸载。卸载文件系统的命令是umount，该命令可以把文件系统从Linux系统中的挂载点分离。要卸载一个文件系统，可以指定要卸载的文件系统的目录名（挂载点）或设备名。umount命令的格式

#umount<设备名或挂装点>在卸载一个文件系统的时候，需要指定要卸载的文件系统的挂载点或者设备名。

5.4.2挂载与卸载注意：如果一个文件系统处于busy状态，则不能卸载该文件系统。如下情况将导致文件系统处于busy状态∶文件系统上面有打开的文件。某个进程的工作目录在此文件系统上。文件系统上面的缓存文件正在被使用。

本章小结Linux通过VFS实现对多种文件系统的统一管理，并以挂载机制构建单一目录树结构。MBR适用于传统小容量磁盘，而GPT在分区数量与容量上具有明显优势。fdisk适用于常规分区操作，parted则支持GPT与大于2TB的磁盘。LVM用于创建、查看、扩展和缩减逻辑卷。本章通过分区、文件系统建立与挂载流程，使学习者能够体验从“识别磁盘”到“投入使用”的完整操作，为后续磁盘文件系统高级管理实践打下基础。第5章磁盘文件系统管理习题（一、填空题）1.openEuler系统中，默认采用的文件系统类型是__________，该文件系统以高性能和高扩展性著称，适用于大文件存储和高并发I/O场景。2.若要以树状结构展示系统中所有块设备的详细信息，包括磁盘、分区及其挂载情况，应使用__________命令。3.在使用mount命令挂载文件系统时，若需指定特殊挂载选项，如以读写权限重新挂载根目录，应使用的命令格式为__________。4.格式化分区创建XFS文件系统的命令是__________；若要创建ext4文件系统，则命令为__________。5.逻辑卷管理中，创建物理卷的命令是__________，创建卷组的命令是__________，从卷组中创建逻辑卷的命令是__________。6.用于检测磁盘坏块的命令是__________；当XFS文件系统出现错误时，可使用__________命令进行检查和修复。7.若要调整已存在的逻辑卷大小，扩大逻辑卷使用__________命令，缩小逻辑卷使用__________命令，但缩小操作存在数据丢失风险。8.在/etc/fstab文件中，__________参数表示系统启动时不自动挂载文件系统；__________参数表示使用默认挂载选项。9.Linux系统中，设备管理机制__________会根据设备属性动态创建设备节点，例如磁盘分区后会在/dev目录下生成对应的设备文件。10.若磁盘分区表损坏，可尝试使用__________工具修复，该工具能分析和重建分区表。第5章磁盘文件系统管理习题（二、选择题）1.关于文件系统挂载，以下说法正确的是（）。A.mount命令只能挂载本地磁盘，无法挂载网络文件系统B.挂载点目录在挂载前必须为空目录，否则挂载失败C.mount-a命令会根据/etc/fstab文件内容自动挂载所有设置为自动挂载的文件系统D.卸载文件系统时，若有进程正在访问该文件，可使用umount-f强制卸载，不会造成数据丢失2.下列关于磁盘分区操作的描述，错误的是（）。A.使用fdisk进行分区时，输入w命令保存并退出分区表修改B.扩展分区不能直接使用，必须在其中创建逻辑分区才能格式化和挂载C.GPT分区表突破了MBR分区表只能划分4个主分区的限制，最多可支持128个分区D.新创建的分区可直接挂载使用，无需进行格式化操作3.若要将一个20GB的物理磁盘空间分配给逻辑卷，以下操作步骤正确的是（）。A.pvcreate/dev/sdX→lvcreate-L20G-nmylvmyvg→vgcreatemyvg/dev/sdX

B.vgcreatemyvg/dev/sdX→pvcreate/dev/sdX→lvcreate-L20G-nmylvmyvg

C.pvcreate/dev/sdX→vgcreatemyvg/dev/sdX→lvcreate-L20G-nmylvmyvg

D.lvcreate-L20G-nmylvmyvg→pvcreate/dev/sdX→vgcreatemyvg/dev/sdX4.执行df-h命令后，输出结果中某一行显示为/dev/mapper/centos-root50G35G16G70%/，以下说法正确的是（）。A.该文件系统挂载在/dev/mapper/centos-root目录下B.该文件系统总容量为50GB，已使用35GB，剩余16GB，使用率为70%C./dev/mapper/centos-root是一个物理磁盘设备D.若要扩容该文件系统，可直接使用lvextend命令扩展逻辑卷大小，无需其他操作第5章磁盘文件系统管理习题（二、选择题）5.以下关于交换空间的描述，错误的是（）。A.交换空间可在内存不足时将部分内存数据写入磁盘，缓解内存压力B.使用swapon-s命令可查看当前系统启用的交换空间信息C.交换分区创建后，可直接使用，无需进行任何激活操作D.可通过修改/etc/fstab文件实现交换分区开机自动挂载6.某用户在执行mount/dev/sdb1/mnt命令时，提示“mount:/dev/sdb1iswrite-protected,mountingread-only”，可能的原因是（）。A./dev/sdb1分区已损坏，无法进行写操作B.磁盘物理故障导致写保护C.挂载命令参数错误，缺少写权限选项D.磁盘设备本身设置为只读，或文件系统以只读方式格式化7.在逻辑卷管理中，若要删除一个逻辑卷mylv，正确的操作顺序是（）。A.umount/dev/myvg/mylv→lvremove/dev/myvg/mylv→vgreducemyvg/dev/myvg/mylv

B.lvremove/dev/myvg/mylv→umount/dev/myvg/mylv→vgreducemyvg/dev/myvg/mylv

C.umount/dev/myvg/mylv→vg