Linux磁盘存储和文件系统

1 磁盘结构

1.1 设备文件

一切皆文件：open(), read(), write(), close()

设备文件：关联至一个设备驱动程序，进而能够跟与之对应硬件设备进行通信

设备号码：

主设备号：major number, 标识设备类型
次设备号：minor number, 标识同一类型下的不同设备

设备类型：

块设备：block，存取单位“块”，磁盘
字符设备：char，存取单位“字符”，键盘

磁盘设备的设备文件命名：

/dev/DEV_FILE
/dev/sdX #SCSI, SATA, SAS, IDE,USB
/dev/nvme0n# #nvme协议硬盘，如：第一个硬盘：nvme0n1，第二个硬盘：nvme0n2

虚拟磁盘：

/dev/vd
/dev/xvd

不同磁盘标识：a-z,aa,ab…

/dev/sda，/dev/sdb, …

同一设备上的不同分区：1,2, …

/dev/sda1

/dev/sda5

范例：创建设备文件

[root@centos8 ~]#df /boot
Filesystem 1K-blocks Used Available Use% Mounted on
/dev/sda1 999320 130848 799660 15% /boot
[root@centos8 ~]#ls /boot
config-4.18.0-147.el8.x86_64 loader
efi lost+found
grub2 System.map-4.18.0-
147.el8.x86_64
initramfs-0-rescue-5b85fc7444b240a992c42ce2a9f65db5.img vmlinuz-0-rescue-5b85fc7444b240a992c42ce2a9f65db5
initramfs-4.18.0-147.el8.x86_64.img vmlinuz-4.18.0-
147.el8.x86_64
initramfs-4.18.0-147.el8.x86_64kdump.img
[root@centos8 ~]#mknod /data/partition-sda1 b 8 1
[root@centos8 ~]#ll /data/partition-sda1
brw-r--r-- 1 root root 8, 1 Apr 13 09:15 /data/partition-sda1
[root@centos8 ~]#mount /data/partition-sda1 /mnt/
[root@centos8 ~]#ls /mnt
config-4.18.0-147.el8.x86_64 loader
efi lost+found
grub2 System.map-4.18.0-
147.el8.x86_64
initramfs-0-rescue-5b85fc7444b240a992c42ce2a9f65db5.img vmlinuz-0-rescue-
5b85fc7444b240a992c42ce2a9f65db5
initramfs-4.18.0-147.el8.x86_64.img vmlinuz-4.18.0-
147.el8.x86_64
initramfs-4.18.0-147.el8.x86_64kdump.img
[root@centos8 ~]#ll /dev/zero
crw-rw-rw- 1 root root 1, 5 Apr 13 08:03 /dev/zero
[root@centos8 ~]#mknod /data/zero c 1 5
[root@centos8 ~]#ll /data/zero
crw-r--r-- 1 root root 1, 5 Apr 13 09:17 /data/zero

1.2 硬盘类型

硬盘接口类型：

IDE：133MB/s，并行接口，早期家用电脑
SCSI：640MB/s，并行接口，早期服务器
SATA：6Gbps，SATA数据端口与电源端口是分开的，即需要两条线，一条数据线，一条电源线SAS：6Gbps，SAS是一整条线，数据端口与电源端口是一体化的，SAS中是包含供电线的，而SATA中不包含供电线。SATA标准其实是SAS标准的一个子集，二者可兼容，SATA硬盘可以插入SAS主板上，反之不成。
USB：480MB/s
M.2：

注意：速度不是由单纯的接口类型决定，支持Nvme协议硬盘速度是最快的。

服务器硬盘大小：

LFF：3.5寸，一般见到的那种台式机硬盘的大小。
SFF：Small Form Factor 小形状因数，2.5寸，注意不同于2.5寸的笔记本硬盘。

L、S分别是大、小的意思，目前服务器或者盘柜采用sff规格的硬盘主要是考内虑增大单位密度内的磁盘容量、增强散热、减小功耗。

1.3 机械硬盘和固态硬盘

机械硬盘（HDD）：Hard Disk Drive，即是传统普通硬盘，主要由：盘片，磁头，盘片转轴及控制电机，磁头控制器，数据转换器，接口，缓存等几个部分组成。机械硬盘中所有的盘片都装在一个旋转轴上，每张盘片之间是平行的，在每个盘片的存储面上有一个磁头，磁头与盘片之间的距离比头发丝的直径还小，所有的磁头联在一个磁头控制器上，由磁头控制器负责各个磁头的运动。磁头可沿盘片的半径方向运动，加上盘片每分钟几千转的高速旋转，磁头就可以定位在盘片的指定位置上进行数据的读写操作。数据通过磁头由电磁流来改变极性方式被电磁流写到磁盘上，也可以通过相反方式读取。硬盘为精密设备，进入硬盘的空气必须过滤。

固态硬盘（SSD）：Solid State Drive，用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也与普通硬盘一致

相较于HDD，SSD在防震抗摔、传输速率、功耗、重量、噪音上有明显优势，SSD传输速率性能是HDD的2倍，相较于SSD，HDD在价格、容量占有绝对优势硬盘有价，数据无价，目前SSD不能完全取代HHD。

1.4 硬盘存储术语

硬盘存储术语 CHS：

head：磁头磁头数=盘面数
track：磁道磁道=柱面数
sector：扇区，512bytes
cylinder：柱面 1柱面=512 * sector数/track*head数=512*63*255=7.84M

CentOS 5 之前版本 Linux 以柱面的整数倍划分分区，CentOS 6之后可以支持以扇区划分分区。

范例：识别SSD和机械硬盘类型

[root@centos8 ~]#lsblk -d -o name,rota
NAME ROTA
sda 1
sr0 1
nvme0n1 0
nvme0n2 0

[root@centos8 ~]#ls /sys/block/
nvme0n1 nvme0n2 sda sr0
[root@centos8 ~]#cat /sys/block/*/queue/rotational

CHS

CHS采用 24 bit位寻址
其中前10位表示cylinder，中间8位表示head，后面6位表示sector
最大寻址空间 8 GB

LBA（logical block addressing）

LBA是一个整数，通过转换成 CHS 格式完成磁盘具体寻址
ATA-1规范中定义了28位寻址模式，以每扇区512位组来计算，ATA-1所定义的28位LBA上限达到128 GiB。2002年ATA-6规范采用48位LBA，同样以每扇区512位组计算容量上限可达128Petabytes

由于CHS寻址方式的寻址空间在大概8GB以内，所以在磁盘容量小于大概8GB时，可以使用CHS寻址方式或是LBA寻址方式；在磁盘容量大于大概8GB时，则只能使用LBA寻址方式。

2 管理存储

使用磁盘空间过程

1. 设备分区

2. 创建文件系统

3. 挂载新的文件系统

2.1 磁盘分区

2.1.1 为什么分区

优化I/O性能
实现磁盘空间配额限制
提高修复速度
隔离系统和程序
安装多个OS
采用不同文件系统

2.1.2 分区方式

两种分区方式：MBR，GPT

2.1.2.1 MBR分区

MBR：Master Boot Record，1982年，使用32位表示扇区数，分区不超过2T

划分分区的单位：

CentOS 5 之前按整柱面划分
CentOS 6 版本后可以按Sector划分

0磁道0扇区：512bytes

446bytes: boot loader

64bytes：分区表，其中每16bytes标识一个分区

2bytes: 55AA

MBR分区中一块硬盘最多有4个主分区，也可以3主分区+1扩展(N个逻辑分区)

MBR分区：主和扩展分区对应的1–4，/dev/sda3，逻辑分区从5开始，/dev/sda5

MBR分区结构

硬盘主引导记录MBR由4个部分组成：

主引导程序（偏移地址0000H–0088H），它负责从活动分区中装载，并运行系统引导程序
出错信息数据区，偏移地址0089H–00E1H为出错信息，00E2H–01BDH全为0字节
分区表（DPT,Disk Partition Table）含4个分区项，偏移地址01BEH–01FDH,每个分区表项长16个字节，共64字节为分区项1、分区项2、分区项3、分区项4
结束标志字，偏移地址01FE–01FF的2个字节值为结束标志55AA

范例: 备份MBR的分区表,并破坏后恢复

#备份MBR分区表
[root@centos8 ~]#dd if=/dev/sda of=/data/dpt.img bs=1 count=64 skip=446
[root@centos8 ~]#scp /data/dpt.img 10.0.0.102:
#破坏MBR分区表
[root@centos8 ~]#dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=1 count=64 seek=446
#无法启动
[root@centos8 ~]#reboot
#用光盘启动,进入rescue mode,选第3项skip to shell
#配置网络
#ifconfig ens160 10.0.0.8/24
#ip a a 10.0.0.8/24 dev/ens160
#scp 10.0.0.102:/root/dpt.img .
#恢复MBR分区表
#dd if=dpt.img of=/dev/sda bs=1 seek=446
#exit

2.1.2.2 GPT分区

GPT：GUID（Globals Unique Identifiers） partition table 支持128个分区，使用64位，支持8Z（512Byte/block ）64Z （ 4096Byte/block）

使用128位UUID(Universally Unique Identifier) 表示磁盘和分区 GPT分区表自动备份在头和尾两份，并有CRC校验位UEFI (Unified Extensible Firmware Interface 统一可扩展固件接口)硬件支持GPT，使得操作系统可以启动。

GPT分区结构分为4个区域：

GPT头
分区表
GPT分区
备份区域

2.1.3 BIOS和UEFI

BIOS是固化在电脑主板上的程序，主要用于开机系统自检和引导操作系统。目前新式的电脑基本上都是UEFI启动。

BIOS（Basic Input Output System 基本输入输出系统）主要完成系统硬件自检和引导操作系统，操作系统开始启动之后，BIOS的任务就完成了。系统硬件自检：如果系统硬件有故障，主板上的扬声器就会发出长短不同的“滴滴”音，可以简单的判断硬件故障，比如“1长1短”通常表示内存故障，“1长3短”通常表示显卡故障。

BIOS在1975年就诞生了，使用汇编语言编写，当初只有16位，因此只能访问1M的内存，其中前640K称为基本内存，后384K内存留给开机和各类BIOS本身使用。BIOS只能识别到主引导记录（MBR）初始化的硬盘，最大支持2T的硬盘，4个主分区（逻辑分区中的扩展分区除外），而目前普遍实现了64位系统，传统的BIOS已经无法满足需求了，这时英特尔主导的EFI就诞生了。

EFI（Extensible Firmware Interface）可扩展固件接口，是 Intel 为 PC 固件的体系结构、接口和服务提出的建议标准。其主要目的是为了提供一组在 OS 加载之前（启动前）在所有平台上一致的、正确指定的启动服务，被看做是BIOS 的继任者，或者理解为新版BIOS。UEFI是由EFI1.10为基础发展起来的，它的所有者已不再是Intel，而是一个称作Unified EFI Form的国际组织UEFI(Unified Extensible Firmware Interface)统一的可扩展固件接口，是一种详细描述类型接口的标准。UEFI 相当于一个轻量化的操作系统，提供了硬件和操作系统之间的一个接口，提供了图形化的操作界面。最关键的是引入了GPT分区表，支持2T以上的硬盘，硬盘分区不受限制。

BIOS和UEFI区别

BIOS采用了16位汇编语言编写，只能运行在实模式（内存寻址方式由16位段寄存器的内容乘以16(10H)当做段基地址，加上16位偏移地址形成20位的物理地址）下，可访问的内存空间为1MB，只支持字符操作界面。

UEFI采用32位或者64位的C语言编写，突破了实模式的限制，可以达到最大的寻址空间，支持图形操作界面，使用文件方式保存信息，支持GPT分区启动，适合和较新的系统和硬件的配合使用。

BIOS+MBR与UEFI+GPT

2.1.3 管理分区

列出块设备：

lsblk

创建分区命令：

fdisk 管理MBR分区
gdisk 管理GPT分区
parted 高级分区操作，可以是交互或非交互方式

重新设置内存中的内核分区表版本，适合于除了CentOS 6 以外的其它版本 5，7，8：

partprobe

2.1.3.1 parted 命令

注意：parted的操作都是实时生效的，小心使用

格式：

parted [选项]... [设备 [命令 [参数]...]...]

范例：

parted /dev/sdb mklabel gpt|msdos
parted /dev/sdb print
parted /dev/sdb mkpart primary 1 200 （默认M）
parted /dev/sdb rm 1
parted –l 列出所有硬盘分区信息

2.1.3.2 分区工具fdisk和gdisk：

gdisk [device...] 类fdisk 的GPT分区工具
fdisk -l [-u] [device...] 查看分区
fdisk [device...] 管理MBR分区

子命令：

p 分区列表
t 更改分区类型
n 创建新分区
d 删除分区
v 校验分区
u 转换单位
w 保存并退出
q 不保存并退出

查看内核是否已经识别新的分区：

cat /proc/partations

Centos6 通知内核重新读取硬盘分区表：

partx -a /dev/DEVICE
kpartx -a /dev/DEVICE -f: force
#示例：
[root@centos6 ~]#partx -a /dev/sda

删除分区用：

partx -d --nr M-N /dev/DEVICE
#示例：
[root@centos6 ~]#partx -d --nr 6-8 /dev/sda

2.2 文件系统

2.2.1 文件系统概念

文件系统是操作系统用于明确存储设备或分区上的文件的方法和数据结构；即在存储设备上组织文件的方法。操作系统中负责管理和存储文件信息的软件结构称为文件管理系统，简称文件系统从系统角度来看，文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。具体地说，它负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取，安全控制，日志，压缩，加密等。

支持的文件系统：

/lib/modules/`uname -r`/kernel/fs

2.2.2 文件系统类型

Linux 常用文件系统

ext2：Extended file system 适用于那些分区容量不是太大，更新也不频繁的情况，例如 /boot 分区
ext3：是 ext2 的改进版本，其支持日志功能，能够帮助系统从非正常关机导致的异常中恢复
ext4：是 ext 文件系统的最新版。提供了很多新的特性，包括纳秒级时间戳、创建和使用巨型文件(16TB)、最大1EB的文件系统，以及速度的提升
xfs：SGI，支持最大8EB的文件系统
swap
iso9660 光盘
btrfs（Oracle）
reiserfs

Windows 常用文件系统

FAT32
NTFS
exFAT

Unix：

FFS（fast）
UFS（unix）
JFS2

网络文件系统：

NFS
CIFS

集群文件系统：

GFS2
OCFS2（oracle）

分布式文件系统：

fastdfs
ceph
moosefs
mogilefs
glusterfs
Lustre

RAW：

未经处理或者未经格式化产生的文件系统

常用的文件系统特性：

FAT32

最多只能支持16TB的文件系统和4GB的文件

NTFS

最多只能支持16EB的文件系统和16EB的文件

EXT3

最多只能支持32TB的文件系统和2TB的文件，实际只能容纳2TB的文件系统和16GB的文件
Ext3目前只支持32000个子目录
Ext3文件系统使用32位空间记录块数量和 inode数量
当数据写入到Ext3文件系统中时，Ext3的数据块分配器每次只能分配一个4KB的块

EXT4：

EXT4是Linux系统下的日志文件系统，是EXT3文件系统的后继版本
Ext4的文件系统容量达到1EB，而支持单个文件则达到16TB
理论上支持无限数量的子目录
Ext4文件系统使用64位空间记录块数量和 inode数量
Ext4的多块分配器支持一次调用分配多个数据块
修复速度更快

XFS

根据所记录的日志在很短的时间内迅速恢复磁盘文件内容
用优化算法，日志记录对整体文件操作影响非常小
是一个全64-bit的文件系统，最大可以支持8EB的文件系统，而支持单个文件则达到8EB
能以接近裸设备I/O的性能存储数据

查前支持的文件系统：

cat /proc/filesystems

2.2.3 文件系统的组成部分

内核中的模块：ext4, xfs, vfat

Linux的虚拟文件系统：VFS

用户空间的管理工具：mkfs.ext4, mkfs.xfs,mkfs.vfat

2.2.4 文件系统选择管理

2.2.4.1 创建文件系统

创建文件管理工具

mkfs命令：

(1) mkfs.FS_TYPE /dev/DEVICE

ext4

xfs

btrfs

vfat

(2) mkfs -t FS_TYPE /dev/DEVICE

-L ‘LABEL’ 设定卷标

mke2fs：ext系列文件系统专用管理工具

常用选项

-t {ext2|ext3|ext4|xfs} 指定文件系统类型
-b {1024|2048|4096} 指定块 block 大小
-L ‘LABEL’ 设置卷标
-j 相当于 -t ext3， mkfs.ext3 = mkfs -t ext3 = mke2fs -j = mke2fs -t ext3
-i # 为数据空间中每多少个字节创建一个inode；不应该小于block大小
-N # 指定分区中创建多少个inode
-I 一个inode记录占用的磁盘空间大小，128---4096
-m # 默认5%,为管理人员预留空间占总空间的百分比
-O FEATURE[,...] 启用指定特性
-O ^FEATURE 关闭指定特性

2.2.4.2 查看和管理分区信息

blkid 可以查看块设备属性信息

格式：

blkid [OPTION]... [DEVICE]
  -U UUID 根据指定的UUID来查找对应的设备
  -L LABEL 根据指定的LABEL来查找对应的设备

e2label：管理ext系列文件系统的LABEL

e2label DEVICE [LABEL]

findfs ：查找分区

findfs [options] LABEL=<label>
findfs [options] UUID=<uuid>

范例：

[root@centos8 ~]#findfs UUID=f7f53add-b184-4ddc-8d2c-5263b84d1e15
/dev/sda2

tune2fs：重新设定ext系列文件系统可调整参数的值

-l 查看指定文件系统超级块信息；super block
-L 'LABEL’ 修改卷标
-m # 修预留给管理员的空间百分比
-j 将ext2升级为ext3
-O 文件系统属性启用或禁用, –O ^has_journal
-o 调整文件系统的默认挂载选项，–o ^acl
-U UUID 修改UUID号

dumpe2fs：显示ext文件系统信息，将磁盘块分组管理

-h：查看超级块信息，不显示分组信息

xfs_info：显示示挂载或已挂载的 xfs 文件系统信息

xfs_info mountpoint|devname

超级块和INODE TABLE

块组描述符表(GDT)

ext文件系统每一个块组信息使用32字节描述，这32个字节称为块组描述符，所有块组的块组描述符组成块组描述符表GDT(group descriptor table)。虽然每个块组都需要块组描述符来记录块组的信息和属性元数据，但是不是每个块组中都存放了块组描述符。将所有块组的块组信息组成一个GDT保存,并将该GDT存放于某些块组中，类似存放superblock和备份superblock的块。

2.2.4.3 文件系统检测和修复

文件系统夹故障常发生于死机或者非正常关机之后，挂载为文件系统标记为“no clean”

注意：一定不要在挂载状态下执行下面命令修复

fsck: File System Check

fsck.FS_TYPE
fsck -t FS_TYPE
  -a 自动修复
  -r 交互式修复错误

注意：FS_TYPE 一定要与分区上已经文件类型相同

e2fsck：ext系列文件专用的检测修复工具

-y 自动回答为yes
-f 强制修复
-p 自动进行安全的修复文件系统问题

xfs_repair：xfs文件系统专用检测修复工具

-f 修复文件，而设备
-n 只检查
-d 允许修复只读的挂载设备，在单用户下修复 / 时使用，然后立即reboot

2.3 挂载

挂载:将额外文件系统与根文件系统某现存的目录建立起关联关系，进而使得此目录做为其它文件访问入口的行为

卸载:为解除此关联关系的过程

把设备关联挂载点：mount Point

挂载点下原有文件在挂载完成后会被临时隐藏，因此，挂载点目录一般为空

进程正在使用中的设备无法被卸载。

2.3.1 挂载文件系统mount

mount [-fnrsvw] [-t vfstype] [-o options] device mountpoint

device：指明要挂载的设备

设备文件：例如:/dev/sda5
卷标：-L ‘LABEL’, 例如 -L ‘MYDATA’
UUID： -U ‘UUID’：例如 -U ‘0c50523c-43f1-45e7-85c0-a126711d406e’
伪文件系统名称：proc, sysfs, devtmpfs, configfs

mountpoint：挂载点目录必须事先存在，建议使用空目录

mount常用命令选项：

-t vsftype 指定要挂载的设备上的文件系统类型
-r readonly，只读挂载
-w read and write, 读写挂载
-n 不更新/etc/mtab，mount不可见
-a 自动挂载所有支持自动挂载的设备(定义在了/etc/fstab文件中，且挂载选项中有auto功能)
-L 'LABEL' 以卷标指定挂载设备
-U 'UUID' 以UUID指定要挂载的设备
-B, --bind 绑定目录到另一个目录上
-o options：(挂载文件系统的选项)，多个选项使用逗号分隔
  async 异步模式,内存更改时,写入缓存区buffer,过一段时间再写到磁盘中，效率高，但不安全
  sync 同步模式,内存更改时，同时写磁盘，安全，但效率低下
  atime/noatime 包含目录和文件
  diratime/nodiratime 目录的访问时间戳
  auto/noauto 是否支持开机自动挂载，是否支持-a选项
  exec/noexec 是否支持将文件系统上运行应用程序
  dev/nodev 是否支持在此文件系统上使用设备文件
  suid/nosuid 是否支持suid和sgid权限
  remount 重新挂载
  ro/rw 只读、读写
  user/nouser 是否允许普通用户挂载此设备，/etc/fstab使用
  acl/noacl 启用此文件系统上的acl功能
  loop 使用loop设备
  _netdev 当网络可用时才对网络资源进行挂载，如：NFS文件系统
defaults 相当于rw, suid, dev, exec, auto, nouser, async

挂载规则:

一个挂载点同一时间只能挂载一个设备
一个挂载点同一时间挂载了多个设备，只能看到最后一个设备的数据，其它设备上的数据将被隐藏
一个设备可以同时挂载到多个挂载点
通常挂载点一般是已存在空的目录

2.3.2 卸载文件系统 umount

卸载时：可使用设备，也可以使用挂载点

umount 设备名|挂载点

2.3.3 查看挂载情况

查看挂载

#通过查看/etc/mtab文件显示当前已挂载的所有设备
mount
#查看内核追踪到的已挂载的所有设备
cat /proc/mounts

查看挂载点情况：

findmnt MOUNT_POINT|device

查看正在访问指定文件系统的进程：

lsof MOUNT_POINT
fuser -v MOUNT_POINT

终止所有在正访问指定的文件系统的进程

fuser -km MOUNT_POINT

2.3.4 持久挂载

将挂载保存到 /etc/fstab 中可以下次开机时，自动启用挂载

/etc/fstab格式帮助：

man 5 fstab

每行定义一个要挂载的文件系统,，其中包括共 6 项

要挂载的设备或伪文件系统

设备文件

LABEL：LABEL=””

UUID：UUID=””

伪文件系统名称：proc, sysfs

挂载点：必须是事先存在的目录
文件系统类型：ext4，xfs，iso9660，nfs，none
挂载选项：defaults ，acl，bind
转储频率：0：不做备份 1：每天转储 2：每隔一天转储
fsck检查的文件系统的顺序：允许的数字是0 1 2

0：不自检，1：首先自检；一般只有rootfs才用 2：非rootfs使用

添加新的挂载项，需要执行下面命令生效

mount -a

范例：centos7, 8 /etc/fstab 的分区UUID错误，无法启动

自动进入emergency mode,输入root 密码
#cat /proc/mounts 可以查看到/ 以rw方式挂载
#vim /etc/fstab
#reboot

范例：centos 6 /etc/fstab 的分区UUID错误，无法启动

如果/etc/fstab 的挂载设备出错，比如文件系统故障，并且文件系统检测项（即第6项为非0），将导致无法启动
自动进入emergency mode,输入root 密码
#cat /proc/mounts 可以查看到/ 以ro方式挂载，无法直接修改配置文件
#mount -o remount,rw /
#vim /etc/fstab
将故障行的最后1项，即第6项修改为0，开机不检测此项挂载设备的健康性，从而忽略错误，能实现启动

2.4 处理交换文件和分区

2.4.1 swap 介绍

swap交换分区是系统RAM的补充，swap 分区支持虚拟内存。当没有足够的 RAM 保存系统处理的数据时会将数据写入 swap 分区，当系统缺乏 swap 空间时，内核会因RAM 内存耗尽而终止进程。配置过多 swap 空间会造成存储设备处于分配状态但闲置，造成浪费，过多 swap 空间还会掩盖内存泄露

注意：为优化性能，可以将swap 分布存放，或高性能磁盘存放

官方推荐推荐系统 swap 空间：

系统中的 RAM量	推荐的 swap空间	允许休眠的建议 swap空间大小
低于 2GB	RAM量的2倍数	RAM容量的三倍
2GB–8GB	等于 RAM量	RAM量的倍数
8GB–64GB	4GB到 RAM容量的 0.5倍	RAM容量的 1.5倍
超过 64GB	独立负载（至少 4GB）	不建议使用休眠功能

2.4.2 交换分区实现过程

1. 创建交换分区或者文件

2. 使用mkswap写入特殊签名

3. 在/etc/fstab文件中添加适当的条目

4. 使用swapon -a 激活交换空间

启用swap分区：

swapon [OPTION]... [DEVICE]
-a：激活所有的交换分区
-p PRIORITY：指定优先级，也可在/etc/fstab 在第4列指定：pri=value

禁用swap分区：

swapoff [OPTION]... [DEVICE]

SWAP的优先级：

可以指定swap分区0到32767的优先级，值越大优先级越高

如果用户没有指定，那么核心会自动给swap指定一个优先级，这个优先级从-1开始，每加入一个新的没有用户指定优先级的swap，会给这个优先级减一

先添加的swap的缺省优先级比较高，除非用户自己指定一个优先级，而用户指定的优先级(是正数)永远高于核心缺省指定的优先级(是负数)。

2.4.3 swap的使用策略

/proc/sys/vm/swappiness 的值决定了当内存占用达到一定的百分比时，会启用swap分区的空间。

范例：

[root@centos8 ~]# cat /proc/sys/vm/swappiness
30
[root@rhel5 ~]# cat /proc/sys/vm/swappiness
60

说明：内存在使用到100-30=70%的时候，就开始出现有交换分区的使用。简单地说这个参数定义了系统对swap的使用倾向，默认值为30，值越大表示越倾向于使用swap。可以设为0，这样做并不会禁止对swap的使用，只是最大限度地降低了使用swap的可能性.

2.5 移动介质

挂载意味着使外来的文件系统看起来如同是主目录树的一部分，所有移动介质也需要挂载，挂载点通常在/media 或/mnt下。

访问前，介质必须被挂载

摘除时，介质必须被卸载

按照默认设置，非根用户只能挂载某些设备（光盘、DVD、软盘、USB等等）

2.5.1 使用光盘

在图形环境下自动启动挂载/run/media//

手工挂载

mount /dev/cdrom /mnt/

操作光盘

eject 弹出光盘
eject -t 弹入光盘

创建ISO文件

cp /dev/cdrom /root/centos.iso
mkisofs -r -o /root/etc.iso /etc #来自于genisoimage包

刻录光盘

wodim –v –eject centos.iso

2.5.2 USB介质

查看USB设备是否识别：lsusb

被内核探测为SCSI设备
/dev/sdaX、/dev/sdbX或类似的设备文件
在图形环境中自动挂载在/run/media//

手动挂载：

mount /dev/sdX# /mnt

2.6 磁盘常见工具

2.6.1 文件系统空间占用等信息的查看工具df

df [OPTION]... [FILE]...
  -H 以10为单位
  -T 文件系统类型
  -h human-readable
  -i inodes instead of blocks
  -P 以Posix兼容的格式输出

2.6.2 查看某目录总体空间占用状态du

du [OPTION]... DIR

常用选项：

-h human-readable
-s summary
--max-depth=# 指定最大目录层级

2.6.3 工具dd

dd 命令：convert and copy a file

dd if=/PATH/FROM/SRC of=/PATH/TO/DEST bs=# count=#
  if=file 从所命名文件读取而不是从标准输入
  of=file 写到所命名的文件而不是到标准输出
  ibs=size 一次读size个byte
  obs=size 一次写size个byte
  bs=size block size, 指定块大小（既是是ibs也是obs)
  cbs=size 一次转化size个byte
  skip=blocks 从开头忽略blocks个ibs大小的块
  seek=blocks 从开头忽略blocks个obs大小的块
  count=n 复制n个bs
  conv=conversion[,conversion...] 用指定的参数转换文件
conversion 转换参数:
  ascii 转换 EBCDIC 为 ASCII
  ebcdic 转换 ASCII 为 EBCDIC
  lcase 把大写字符转换为小写字符
  ucase 把小写字符转换为大写字符
  nocreat 不创建输出文件
  noerror 出错时不停止
  notrunc 不截短输出文件
  sync 把每个输入块填充到ibs个字节，不足部分用空(NUL)字符补齐
  fdatasync 写完成前，物理写入输出文件

范例：

#备份MBR
dd if=/dev/sda of=/tmp/mbr.bak bs=512 count=1
#破坏MBR中的bootloader
dd if=/dev/zero of=/dev/sda bs=64 count=1 seek=446
#有一个大与2K的二进制文件fileA。现在想从第64个字节位置开始读取，需要读取的大小是128Byts。又有fileB, 想把上面读取到的128Bytes写到第32个字节开始的位置，替换128Bytes，实现如下
dd if=fileA of=fileB bs=1 count=128 skip=63 seek=31 conv=notrunc
#将本地的/dev/sdx整盘备份到/dev/sdy
dd if=/dev/sdx of=/dev/sdy
#将/dev/sdx全盘数据备份到指定路径的image文件
dd if=/dev/sdx of=/path/to/image
#备份/dev/sdx全盘数据，并利用gzip压缩，保存到指定路径
dd if=/dev/sdx | gzip >/path/to/image.gz
#将备份文件恢复到指定盘
dd if=/path/to/image of=/dev/sdx
#将压缩的备份文件恢复到指定盘
gzip -dc /path/to/image.gz | dd of=/dev/sdx
#将内存里的数据拷贝到root目录下的mem.bin文件
dd if=/dev/mem of=/root/mem.bin bs=1024
#拷贝光盘数据到root文件夹下，并保存为cdrom.iso文件
dd if=/dev/cdrom of=/root/cdrom.iso
#销毁磁盘数据
dd if=/dev/urandom of=/dev/sda1
#通过比较dd指令输出中命令的执行时间，即可确定系统最佳的block size大小
dd if=/dev/zero of=/root/1Gb.file bs=1024 count=1000000
dd if=/dev/zero of=/root/1Gb.file bs=2048 count=500000
dd if=/dev/zero of=/root/1Gb.file bs=4096 count=250000
#测试硬盘写速度
dd if=/dev/zero of=/root/1Gb.file bs=1024 count=1000000
#测试硬盘读速度
dd if=/root/1Gb.file bs=64k | dd of=/dev/null

3 RAID

3.1 什么是RAID

RAID：Redundant Arrays of Inexpensive（Independent） Disks 廉价（独立）磁盘冗余阵列

RAID功能实现

提高IO能力,磁盘并行读写
提高耐用性,磁盘冗余算法来实现

RAID实现的方式

外接式磁盘阵列：通过扩展卡提供适配能力
内接式RAID：主板集成RAID控制器，安装OS前在BIOS里配置
软件RAID：通过OS实现，比如：群晖的NAS

3.2 RAID级别

级别：多块磁盘组织在一起的工作方式有所不同

RAID-0：条带卷，strip

RAID-1：镜像卷，mirror

RAID-2

RAID-5

RAID-6

RAID-10

RAID-01

RAID级别

3.2.1 RAID-0

以 chunk 单位,读写数据

读、写性能提升

可用空间：N*min(S1,S2,…)

无容错能力

最少磁盘数：2, 2+

3.2.2 RAID-1

读性能提升、写性能略有下降

可用空间：1*min(S1,S2,…)

有冗余能力

最少磁盘数：2, 2N

3.2.3 RAID-4

多块数据盘异或运算值存于专用校验盘

磁盘利用率 (N-1)/N

有冗余能力

至少3块硬盘才可以实现

3.2.4 RAID-5

读、写性能提升

可用空间：(N-1)*min(S1,S2,…)

有容错能力：允许最多1块磁盘损坏

最少磁盘数：3, 3+

3.2.5 RAID-6

读、写性能提升

可用空间：(N-2)*min(S1,S2,…)

有容错能力：允许最多2块磁盘损坏

最少磁盘数：4, 4+

3.2.6 RAID-10

读、写性能提升

可用空间：N*min(S1,S2,…)/2

有容错能力：每组镜像最多只能坏一块

最少磁盘数：4, 4+

3.2.7 RAID-01

多块磁盘先实现RAID0,再组合成RAID1

3.2.8 RAID-50

多块磁盘先实现RAID5,再组合成RAID0

3.2.9 其它级别

JBOD：Just a Bunch Of Disks

功能：将多块磁盘的空间合并一个大的连续空间使用

可用空间：sum(S1,S2,…)

RAID7

可以理解为一个独立存储计算机，自身带有操作系统和管理工具，可以独立运行，理论上性能最高的RAID模式

常用级别：

RAID-0, RAID-1, RAID-5, RAID-10, RAID-50, JBOD

3.3 实现软RAID

mdadm工具：为软RAID提供管理界面，为空余磁盘添加冗余，结合内核中的md(multi devices)

RAID设备可命名为/dev/md0、/dev/md1、/dev/md2、/dev/md3等

mdadm：模式化的工具,支持的RAID级别：LINEAR, RAID0, RAID1, RAID4, RAID5, RAID6, RAID10

命令的语法格式：

mdadm [mode] <raiddevice> [options] <component-devices>

模式：
创建：-C
装配：-A
监控：-F
管理：-f, -r, -a
<raiddevice>: /dev/md#
<component-devices>: 任意块设备
-C: 创建模式
-n #: 使用#个块设备来创建此RAID
-l #：指明要创建的RAID的级别
-a {yes|no}：自动创建目标RAID设备的设备文件
-c CHUNK_SIZE: 指明块大小,单位k
-x #: 指明空闲盘的个数
-D：显示raid的详细信息
mdadm -D /dev/md#
管理模式：
-f: 标记指定磁盘为损坏
-a: 添加磁盘
-r: 移除磁盘
观察md的状态： cat /proc/mdstat

范例：

#使用mdadm创建并定义RAID设备
mdadm -C /dev/md0 -a yes -l 5 -n 3 -x 1 /dev/sd{b,c,d,e}1
#用文件系统对每个RAID设备进行格式化
mkfs.xfs /dev/md0
#使用mdadm检查RAID设备的状况
mdadm --detail|D /dev/md0
#增加新的成员
mdadm –G /dev/md0 –n4 -a /dev/sdf1
#模拟磁盘故障
mdadm /dev/md0 -f /dev/sda1
#移除磁盘
mdadm /dev/md0 –r /dev/sda1
#在备用驱动器上重建分区
mdadm /dev/md0 -a /dev/sda1
#系统日志信息
cat /proc/mdstat

生成配置文件：