Linux 文件系统的基本概念与操作

本文信息

作者：thezzisu_{with Claude Sonnet}

状态：待审阅

块设备、磁盘与分区的概念

在开始学习 Linux 文件系统之前，我们需要先理解几个基本概念，它们之间的关系如下：

mermaid

graph TB
    A[物理硬件] --> B[块设备]
    B --> C[磁盘]
    C --> D[分区]
    D --> E[文件系统]

块设备

块设备是一种以块（block）为单位进行数据读写的设备。与字符设备（按字符读写）不同，块设备允许随机访问数据，可以跳到任意位置读写数据。最常见的块设备就是硬盘。

一些关键特点：

以固定大小的块为单位读写数据（通常是 512 字节或 4KB）
支持随机访问，可以直接跳转到任意位置
在 Linux 中以特殊文件形式存在，通常位于 /dev 目录下

磁盘

磁盘是最常见的块设备，在 Linux 系统中有不同的命名规则：

IDE/SATA 硬盘：/dev/sda, /dev/sdb, /dev/sdc...
NVMe 固态硬盘：/dev/nvme0n1, /dev/nvme0n2...
虚拟磁盘：/dev/vda, /dev/vdb...

其中字母表示不同的物理设备，数字表示分区编号。

分区

分区是将一个物理磁盘划分为多个逻辑区域的方式。分区的主要目的是：

更好地组织和管理数据
提高系统性能和安全性
支持多个操作系统共存

分区类型：

MBR 分区表（传统）
- 最多支持 4 个主分区
- 或 3 个主分区 + 1 个扩展分区（扩展分区可包含多个逻辑分区）
- 单个分区最大支持 2TB
GPT 分区表（现代）
- 支持最多 128 个主分区
- 支持超过 2TB 的分区大小
- 更好的容错性

文件系统

文件系统是在分区之上建立的数据组织方式，它决定了如何在分区中存储和管理文件。常见的 Linux 文件系统类型包括：

ext4：Linux 最常用的文件系统，功能强大且稳定
xfs：适合大容量存储，性能优秀
btrfs：新一代文件系统，支持快照等高级特性
fat32/ntfs：主要用于与 Windows 系统交互

不同文件系统的区别

ext4：支持大文件和大分区，具有良好的性能和稳定性，适合大多数场景。
xfs：在处理大文件和高并发访问时表现优异，适合大容量存储和高性能需求的场景。
btrfs：支持快照、压缩和子卷等高级特性，适合需要高级数据管理功能的场景。
fat32/ntfs：主要用于与 Windows 系统交互，fat32 适合小容量 U 盘，ntfs 适合大容量存储设备。

如果你不知道怎么选择，xfs 是一个不错的选择。

选择文件系统的最佳实践

对于大多数 Linux 系统，推荐使用 ext4 文件系统。
对于需要处理大文件和高并发访问的场景，推荐使用 xfs 文件系统。
对于需要高级数据管理功能的场景，推荐使用 btrfs 文件系统。
对于需要与 Windows 系统交互的存储设备，推荐使用 fat32 或 ntfs 文件系统。

Linux 的挂载机制

Linux 系统中的所有文件都在一个统一的目录树中，通过挂载将物理设备整合到这个目录树中：

mermaid

graph LR
    A[物理设备] --挂载--> B[挂载点]
    B --> C[统一目录树]
    C --> D[/]
    C --> E[/home]
    C --> F[/mnt]

挂载的概念

挂载（mount）是将一个文件系统关联到目录树的过程。可以把它想象成把一个新的抽屉（文件系统）安装到书柜（目录树）上。

为什么需要挂载：

保持文件系统的统一性
灵活管理不同的存储设备
实现文件系统的动态扩展

挂载点与目录树的关系

挂载点是目录树中的一个目录
挂载后，访问该目录就等于访问被挂载的文件系统
常用的挂载点位置：
- /mnt：临时挂载点
- /media：可移动设备自动挂载点
- /：根文件系统挂载点

自动挂载与手动挂载

Linux 系统支持两种挂载方式：

自动挂载
- 系统启动时通过 /etc/fstab 自动挂载
- 对于 Linux 部分桌面发行版，插入可移动设备时通常由 udisks2 自动挂载，无需手动干预
手动挂载
- 使用 mount 命令临时挂载
- 系统重启后需要重新挂载

Linux 磁盘与文件系统常用命令

查看磁盘信息

使用 fdisk -l 查看分区信息

plain

Disk /dev/sda: 500 GB
Device      Boot  Start     End Sectors  Size Id Type
/dev/sda1   *     2048  999423  997376  487M 83 Linux
/dev/sda2      999424 41943039   40.9G  83 Linux

使用 lsblk 查看块设备信息

plain

NAME   MAJ:MIN RM  SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda      8:0    0  500G  0 disk
├─sda1   8:1    0  487M  0 part /boot
└─sda2   8:2    0 40.9G  0 part /

使用 df -h 查看磁盘使用情况

plain

文件系统        容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sda2        41G   15G   24G   39% /
/dev/sda1       487M   98M  364M   22% /boot

磁盘分区操作

警告

在进行任何分区操作之前，请确保：

已备份重要数据
确认操作的设备名称正确（可使用 lsblk 和 fdisk -l 仔细核对）
了解分区操作可能带来的风险

使用 fdisk 创建新分区

bash

sudo fdisk /dev/sdb

常用的 fdisk 交互命令：

n：创建新分区
p：打印分区表
d：删除分区
w：写入更改并退出
q：不保存退出

使用 parted 命令（支持 GPT）

bash

sudo parted /dev/sdb

parted 的常用命令：

mklabel gpt：创建 GPT 分区表
mkpart：创建新分区
print：显示分区信息
rm：删除分区

创建文件系统

在分区上创建 ext4 文件系统

bash

sudo mkfs.ext4 /dev/sdb1

创建 xfs 文件系统

bash

sudo mkfs.xfs /dev/sdb1

创建 fat32 文件系统（用于跨平台兼容）

bash

sudo mkfs.vfat -F 32 /dev/sdb1

挂载文件系统

手动挂载

bash

# 创建挂载点
sudo mkdir /mnt/mydisk

# 挂载分区
sudo mount /dev/sdb1 /mnt/mydisk

# 指定文件系统类型挂载
sudo mount -t ext4 /dev/sdb1 /mnt/mydisk

卸载文件系统

bash

sudo umount /mnt/mydisk
# 或
sudo umount /dev/sdb1

配置开机自动挂载

编辑 /etc/fstab 文件来配置开机自动挂载：

bash

sudo nano /etc/fstab

fstab 文件格式：

plain

# <file system> <mount point> <type> <options> <dump> <pass>
UUID=xxxxx       /mnt/mydisk   ext4    defaults    0       2

字段说明：

file system：设备名或 UUID
mount point：挂载点
type：文件系统类型
options：挂载选项
dump：是否备份（0 表示不备份）
pass：开机时 fsck 检查的顺序（0 表示不检查）

实践练习

练习 1：创建并挂载新分区

查看可用磁盘

bash

sudo fdisk -l

在目标磁盘创建新分区

bash

sudo fdisk /dev/sdb
# 按 `n` 创建新分区
# 按 `w` 保存更改

创建文件系统

bash

sudo mkfs.ext4 /dev/sdb1

创建挂载点并挂载

bash

sudo mkdir /mnt/newdisk
sudo mount /dev/sdb1 /mnt/newdisk

配置开机自动挂载

bash

# 获取分区 UUID
sudo blkid /dev/sdb1

# 编辑 `fstab`
sudo nano /etc/fstab
# 添加如下行
# UUID=<your-uuid> /mnt/newdisk ext4 defaults 0 2

练习 2：U 盘操作实战

插入 U 盘后查看设备名

bash

dmesg | tail
# 或
lsblk

挂载 U 盘

bash

sudo mkdir /mnt/usb
sudo mount /dev/sdc1 /mnt/usb

安全卸载

bash

sudo umount /mnt/usb

常见问题与故障排除

1. 挂载失败常见原因

设备忙问题：

plain

mount: /dev/sdb1 is already mounted or /mnt/mydisk busy

解决：

bash

# 查看是否有进程在使用
lsof | grep /mnt/mydisk
# 结束相关进程
sudo kill <PID>

文件系统损坏问题：

plain

mount: wrong fs type, bad option, bad superblock

解决：

bash

# 检查并修复文件系统
sudo fsck /dev/sdb1

2. `fstab` 配置错误修复

如果 /etc/fstab 配置错误导致系统无法正常启动：

在启动时进入紧急模式
使用以下命令修复：

bash

# 以读写方式重新挂载根文件系统
mount -o remount,rw /

# 编辑 `fstab`
nano /etc/fstab

# 注释掉有问题的行
# UUID=xxx /mnt/mydisk ext4 defaults 0 2

3. 磁盘空间告警

查找大文件

bash

# 查找大于 1GB 的文件
sudo find / -type f -size +1G

# 按大小排序显示目录占用
sudo du -h / | sort -rh | head -10

# 查看各目录占用情况
sudo ncdu /

清理常见的空间占用

bash

# 清理软件包缓存
sudo apt clean

# 删除旧内核（保留当前使用的内核）
sudo apt autoremove

# 清理日志文件
sudo journalctl --vacuum-time=3d

# 清理临时文件
sudo rm -rf /tmp/*
sudo rm -rf ~/.cache/*

扩容方案示例

bash

# LVM 在线扩容
sudo vgdisplay  # 查看卷组
sudo lvextend -L +10G /dev/mapper/vg0-root  # 扩容 10GB
sudo resize2fs /dev/mapper/vg0-root  # 更新文件系统

# 查看 RAID 状态（如果使用 RAID）
cat /proc/mdstat

实际案例分析

案例 1：Docker 镜像占用过大

bash

# 清理未使用的 Docker 资源
docker system prune -a

案例 2：日志文件占满磁盘

bash

# 找到大型日志文件
sudo find /var/log -type f -size +100M

# 安全清理日志
sudo truncate -s 0 /var/log/large_log.log

案例 3：备份文件堆积

bash

# 查找并删除超过 30 天的备份
find /backup -name "*.bak" -mtime +30 -delete

附注

ext4 的基本操作命令

创建 ext4 文件系统

bash

sudo mkfs.ext4 /dev/sdb1

检查和修复 ext4 文件系统

bash

sudo fsck.ext4 /dev/sdb1

调整 ext4 文件系统大小

bash

sudo resize2fs /dev/sdb1

xfs 的基本操作命令

创建 xfs 文件系统

bash

sudo mkfs.xfs /dev/sdb1

检查和修复 xfs 文件系统

bash

sudo xfs_repair /dev/sdb1

增加 xfs 文件系统大小

bash

sudo xfs_growfs /mnt/mydisk

注意：xfs 文件系统不支持缩小操作。 xfsprogs 5.12 增加了对缩小操作的实验性支持，但仍需谨慎使用。

btrfs 简介

btrfs 是一种现代的 Linux 文件系统，支持快照、压缩和子卷等高级特性，适合需要高级数据管理功能的场景。

btrfs 子卷

btrfs 子卷（subvolume）是 btrfs 文件系统中的一个逻辑分区，可以独立管理和操作。子卷类似于目录，但具有独立的文件系统属性，可以单独进行快照和备份。

btrfs 基本概念与操作命令

创建 btrfs 文件系统

bash

sudo mkfs.btrfs /dev/sdb1

创建子卷

bash

sudo btrfs subvolume create /mnt/mydisk/subvol

创建快照

bash

sudo btrfs subvolume snapshot /mnt/mydisk/subvol /mnt/mydisk/snapshot

检查和修复 btrfs 文件系统

bash

sudo btrfs check /dev/sdb1

调整 btrfs 文件系统大小

bash

sudo btrfs filesystem resize +10G /mnt/mydisk

LVM 简介

LVM（Logical Volume Manager，逻辑卷管理器）是一种灵活的磁盘管理工具，可以动态调整磁盘分区大小，方便磁盘空间的管理和扩展。

在部分 Linux 发行版中，安装系统时默认就会配置 LVM。如果你在 fstab 中看到 /dev/mapper 开头的设备，那么你的系统可能已经使用了 LVM。

LVM 的基本概念

物理卷（PV）：物理硬盘或分区，通过 pvcreate 命令创建。
卷组（VG）：由一个或多个物理卷组成，通过 vgcreate 命令创建。
逻辑卷（LV）：从卷组中分配的逻辑存储单元，通过 lvcreate 命令创建。

LVM 的基本操作命令

创建物理卷

bash

sudo pvcreate /dev/sdb1

创建卷组

bash

sudo vgcreate myvg /dev/sdb1

创建逻辑卷

bash

sudo lvcreate -L 10G -n mylv myvg

创建文件系统

bash

sudo mkfs.ext4 /dev/myvg/mylv

挂载逻辑卷

bash

sudo mkdir /mnt/mylv
sudo mount /dev/myvg/mylv /mnt/mylv

扩展逻辑卷

bash

sudo lvextend -L +5G /dev/myvg/mylv
sudo resize2fs /dev/myvg/mylv

LVM 使得磁盘管理更加灵活，特别适合需要频繁调整磁盘空间的场景。

Linux 文件系统的基本概念与操作 ​

块设备、磁盘与分区的概念 ​

块设备 ​

磁盘 ​

分区 ​

文件系统 ​

不同文件系统的区别 ​

选择文件系统的最佳实践 ​

Linux 的挂载机制 ​

挂载的概念 ​

挂载点与目录树的关系 ​

自动挂载与手动挂载 ​

Linux 磁盘与文件系统常用命令 ​

查看磁盘信息 ​

磁盘分区操作 ​

创建文件系统 ​

挂载文件系统 ​

配置开机自动挂载 ​

实践练习 ​

练习 1：创建并挂载新分区 ​

练习 2：U 盘操作实战 ​

常见问题与故障排除 ​

1. 挂载失败常见原因 ​

2. fstab 配置错误修复 ​

3. 磁盘空间告警 ​

附注 ​

ext4 的基本操作命令 ​

xfs 的基本操作命令 ​

btrfs 简介 ​

btrfs 子卷 ​

btrfs 基本概念与操作命令 ​

LVM 简介 ​

LVM 的基本概念 ​

LVM 的基本操作命令 ​

Linux 文件系统的基本概念与操作

块设备、磁盘与分区的概念

块设备

磁盘

分区

文件系统

不同文件系统的区别

选择文件系统的最佳实践

Linux 的挂载机制

挂载的概念

挂载点与目录树的关系

自动挂载与手动挂载

Linux 磁盘与文件系统常用命令

查看磁盘信息

磁盘分区操作

创建文件系统

挂载文件系统

配置开机自动挂载

实践练习

练习 1：创建并挂载新分区

练习 2：U 盘操作实战

常见问题与故障排除

1. 挂载失败常见原因

2. `fstab` 配置错误修复

3. 磁盘空间告警

附注

ext4 的基本操作命令

xfs 的基本操作命令

btrfs 简介

btrfs 子卷

btrfs 基本概念与操作命令

LVM 简介

LVM 的基本概念

LVM 的基本操作命令