Linux文件系统的工作原理

Linux中一切皆文件

在linux操作系统中，我们最常见的文本，图片，可执行二进制文件这些是最为常见的文件。除此之外文件夹也是一种特殊的文件，软链接、硬链接依然是文件。不仅如此，就连我们/dev下面的硬件设备、套接字、管道这些东西在Linux中统统都是文件。

索引节点和目录项

Linux中所有文件都有一个唯一与之对应的索引节点(Index Node)，索引节点记录了文件的元数据，操作系统并不通过文件名，而是通过索引节点来管理文件，用目录项(Directory Entry)来描述文件之间的关系。

• 索引节点，简称为 inode，用来记录文件的元数据，比如 inode 编号、文件大小、访问权限、修改日期、数据的位置等。索引节点和文件一一对应，它跟文件内容一样，都会被持久化存储到磁盘中。所以记住，索引节点同样占用磁盘空间。

• 目录项，简称为 dentry，用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项，就构成了文件系统的目录结构。不过，不同于索引节点，目录项是由内核维护的一个内存数据结构，所以通常也被叫做目录项缓存。

简言之，索引节点相当于文件的指针，目录项维护着文件的树型关系。

磁盘的存储区域

• 扇区：磁盘最小读写单位为扇区，每个扇区大小为512B

• 逻辑块：如果操作系统以最小单位读写磁盘，效率无疑是非常底下的，因此将8个连续扇区组成一个4k大小的逻辑块作为数据单元来进行管理

在进行文件系统格式化时，会将磁盘划分为三个区域：

• 超级块，存储整个文件系统的状态。

• 索引节点区，用来存储索引节点。

• 数据块区，则用来存储文件数据。

磁盘、索引节点、目录项、逻辑块的关系如下图所示：

目录项本身是一个内存缓存，索引节点则是存储在磁盘中，但是为了加快文件访问速度，索引节点和文件内容也会被读入到缓存中。

虚拟文件系统

索引节点、目录项、逻辑块、超级块是构成文件系统的四大基本要素。但是，为了能够使用各种不同的文件系统，在用户进程和内核之间引入了一个抽象层——虚拟文件系统VFS。

VFS定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口。因此用户进程只需要和VFS交互即可，无需针对每一种文件系统开发不同的应用程序。

文件系统按照存储位置不同，可分为三类：

• 基于磁盘的文件系统：Ext4、XFS、OverlayFS 等， 直接将数据存储在本地挂在的磁盘。

• 基于内存的文件系统：如/proc、/sys等目录，无需分配磁盘空间，但是占用内存。

• 网络文件系统：访问远程其他主机的文件系统，如NTFS、SMB等。

文件系统的IO类型

根据文件系统的读写差异，可以将IO分为四种类型：

• 缓冲 I/O，是指利用标准库缓存来加速文件的访问，而标准库内部再通过系统调度访问文件。

• 非缓冲 I/O，是指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存。

此处标准库缓存指的是利用栈、队列等一些数据结构进行的资源调度，而不是页缓存。无论是否缓冲IO，都会通过系统调用页缓存来减少IO次数。
根据是否利用操作系统的页缓存，可以把文件 I/O 分为直接 I/O 与非直接 I/O。

• 直接 I/O，是指跳过操作系统的页缓存，直接跟文件系统交互来访问文件。

• 非直接 I/O 正好相反，文件读写时，先要经过系统的页缓存，然后再由内核或额外的系统调用，真正写入磁盘。

通常情况下我们的IO都是非直接IO，在数据库等场景中，你还会看到，跳过文件系统读写磁盘的情况，也就是我们通常所说的裸 I/O。

据应用程序是否阻塞自身运行，可以把文件 I/O 分为阻塞 I/O 和非阻塞 I/O：

• 所谓阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，如果没有获得响应，就会阻塞当前线程，自然就不能执行其他任务。

• 所谓非阻塞 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，不会阻塞当前的线程，可以继续执行其他的任务，随后再通过轮询或者事件通知的形式，获取调用的结果。

默认情况下IO都是阻塞的。网络编程中非阻塞 I/O，通常会跟 select/poll 配合，用在网络套接字的 I/O 中。

根据是否等待响应结果，可以把文件 I/O 分为同步和异步 I/O：

• 所谓同步 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，要一直等到整个 I/O 完成后，才能获得 I/O 响应。

• 所谓异步 I/O，是指应用程序执行 I/O 操作后，不用等待完成和完成后的响应，而是继续执行就可以。等到这次 I/O 完成后，响应会用事件通知的方式，告诉应用程序。

文件系统的观测

• 容量：

jeeyshe@jeeyshe-PC:~$ df
文件系统           1K-块     已用     可用 已用% 挂载点
udev             3997588        0  3997588    0% /dev
tmpfs             805208     1868   803340    1% /run
/dev/sda3       46631732  8521096 35712124   20% /
tmpfs            4026032    44240  3981792    2% /dev/shm
tmpfs               5120        4     5116    1% /run/lock
tmpfs            4026032        0  4026032    0% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1         306584     6668   299916    3% /boot/efi
/dev/sda4       93266544  8084300 80401548   10% /home
tmpfs             805204       40   805164    1% /run/user/1000
/dev/sda5       93266544    57368 88428480    1% /media/jeeyshe/_dde_data
/dev/sdb3      115272700 45983312 69289388   40% /media/jeeyshe/500CEF460CEF25A6

索引节点的容量，（也就是 Inode 个数）是在格式化磁盘时设定好的，一般由格式化工具自动生成。当你发现索引节点空间不足，但磁盘空间充足时，很可能就是过多小文件导致的。

加入一下参数可以看到更加详细和人性化的容量信息：

jeeyshe@jeeyshe-PC:~$ df -ih
文件系统       Inode 已用(I) 可用(I) 已用(I)% 挂载点
udev            976K     576    976K       1% /dev
tmpfs           983K     890    983K       1% /run
/dev/sda3       2.9M    239K    2.7M       9% /
tmpfs           983K      46    983K       1% /dev/shm
tmpfs           983K       7    983K       1% /run/lock
tmpfs           983K      17    983K       1% /sys/fs/cgroup
/dev/sda1          0       0       0        - /boot/efi
/dev/sda4       5.7M     98K    5.6M       2% /home
tmpfs           983K      28    983K       1% /run/user/1000
/dev/sda5       5.7M      11    5.7M       1% /media/jeeyshe/_dde_data
/dev/sdb3        67M    503K     67M       1% /media/jeeyshe/500CEF460CEF25A6

• 缓存：此处只观测索引节点和目录项

关于页缓存、swap、buf等概念，将在其他篇章介绍。

版权声明 本文属于本站  原创作品，文章版权归本站及作者所有，请尊重作者的创作成果，转载、引用自觉附上本文永久地址： http://blog.lujianxin.com/x/art/ogqjbet7znn9