基础：Linux文件系统是怎么工作的

怼烎@ 2022-09-17 03:20 174阅读 0赞

# 引入 #

同CPU、内存一样，磁盘和文件系统的管理，也会是操作系统最核心的功能。

*  磁盘为系统提供了最基本的持久化存储
 *  文件系统则在磁盘的基础上，提供了一个用来管理文件的树结构

那么，磁盘和文件系统是怎么工作的呢？又有哪些指标也可以衡量他们的性能呢？

# 索引节点和目录项 #

文件系统，本身是对存储设备上的文件，进行组织管理的机制。组织方式的不同，就会形成不同的文件系统。

在Linux中，一切皆文件。不仅普通的文件和目录，就连块设备、套接字、管道等，也都要通过统一的文件系统来管理。

为了方便管理，Linux文件系统为每个文件都分配了两个数据结构，索引节点（index node）和⽬录项（directory entry）。它们主要用来记录文件的元信息和目录结构。

*  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，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，目录项是由内存维护的一个内存数据结构，所以通常被叫做目录项缓存

换句话说，索引节点是每个文件的唯一标识，而目录项维护的正是文件系统的树状结构。目录项和索引节点的关系是多对一，你可以简单理解为，一个文件可以有多个别名。

举个例子，通过硬链接为文件创建的别名，就会对应不同的目录项，不过这些目录项本质上还是链接到同一个文件，所以，他们的索引节点相同。

索引节点和目录项记录了文件的元数据，以及文件间的目录关系，那么具体来说，文件数据到底是怎么存储的呢？是不是直接写到磁盘中就好了呢？

*  实际上，**磁盘读写的最小单位是扇区**，然而扇区只有512B大小，如果每次都读写这么小的单位，效率一定会很低。
 *  所以，**文件系统又把连续的扇区组成了逻辑块，然后每次以逻辑块为最小单元，来管理数据**。
 *  常⻅的逻辑块⼤⼩为4KB，也就是由连续  
    的8个扇区组成。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_19_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
注意两点：

*  目录项本身就是一个内存缓存，而索引节点则是存储在磁盘中的数据
    
     *  为了协调慢速磁盘与快速CPU的性能差异，⽂件内容会缓存到⻚缓存Cache中。
     *  同样的，这些索引节点也会缓存到内存中，加速文件的访问
 *  磁盘在执行文件系统格式化时，会被分成三个存储区域：
    
     *  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：用来存储文件数据

# 虚拟文件系统 #

目录项、索引节点、逻辑块以及超级块，构成了Linux文件系统的四大基本要素。

不过，为了支持各种不同的文件系统，Linux内核在用户进程和文件系统的中间，有引入了一个抽象层，也就是虚拟文件系统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。这样，用户进程在内核中的其他子系统，只需要跟VFS提供的统一接口进行交互就可以了，而不需要关心底层各种文件系统的细节。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAT2NlYW4mJlN0YXI_size_14_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

从上图可以看到，在VFS的下面，Linux支持各种各样的文件系统，比如Ext4、XFS、NFS等等，按照存储位置的不同，这些文件系统可以分为三类：

*  第一类是基于磁盘的文件系统，也就是把数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中。场景的ext4、xfs、overlayfs等，都是这类文件系统
 *  第二类是基于内存的文件系统，也就是我们尝试的虚拟文件系统。这类文件系统，不需要任何磁盘分配存储空间，但是会占用内存。我们常用的/proc文件系统，其实就是一种虚拟文件系统；比如/sys也是虚拟文件系统，主要用于向用户空间导出层次化的内核对象
 *  第三类是网络文件系统，是用来访问其他计算机数据的文件系统，比如NFS、SMB、iSCSi等

这些文件系统，要先挂载到VFS目录树中的某个子目录（称为挂载点），然后才能访问其他的文件。拿第⼀类，也就是基于  
磁盘的⽂件系统为例，在安装系统时，要先挂载⼀个根⽬录（/），在根⽬录下再把其他⽂件系统（⽐如其他的磁盘分区、/proc⽂件统、/sys⽂件系统、NFS等）挂载进来

# 文件IO #

把文件系统挂载到挂载点之后，你就能通过挂载点，再去访问它管理的文件了。VFS提供了一组标准的文件访问接口。这些接口以系统调用的层次，提供给应用程序使用。

就拿cat 命令来说，它⾸先调⽤ open() ，打开⼀个⽂件；然后调⽤ read() ，读取⽂件的内容；最后再调⽤ write() ，把⽂件内容输出到控制台的标准输出中：

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
    ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
    ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

⽂件读写⽅式的各种差异，导致 I/O的分类多种多样。最常⻅的有，缓冲与⾮缓冲I/O、直接与⾮直接I/O、阻塞与⾮阻塞I/O、同步与异步I/O等。 接下来，我们就详细看这四种分类。

> 第⼀种，根据是否利⽤标准库缓存，可以把⽂件I/O分为缓冲I/O与⾮缓冲I/O。

*  缓冲IO，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来访问文件
 *  非缓存IO，是指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存。

注意，这里的“缓冲”，是指标准库内部实现的缓存，比如，很多程序遇到换行时才真正输出，而换行前的内容，其实就是被标准库暂时缓存了起来

无论缓冲IO还是非缓冲IO，它们最终还是要经过系统调用来访问文件。系统调用之后，还会通过页缓存，还减少磁盘的IO操作。

> 第二，根据是否利用操作系统的页缓存，可以把文件IO分为直接IO和非直接IO

*  直接IO，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IO：文件读写时，先要经过系统的页缓存，然后再由内核或者额外的系统调用，直接写入磁盘

要想实现直接IO，需要在系统调用中直接`O_DIRECT`标志。如果没有设置则默认非直接IO

不过要注意，直接IO、非直接IO，本质上还是跟文件系统交互。如果是在数据库等场景中，你还会看到，跳过文件系统读写磁盘的情况。也就是**裸IO**

> 第三，根据应用程序是否阻塞自身运行，把文件IO分为阻塞IO和非阻塞IO

*  所谓阻塞IO，是指应用程序执行IO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IO，是指应用程序执行IO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。

比如，访问管道或者网络套接字时，设置O\_NONBLOCK标志，就表示用非阻塞方式访问；如果不做任何设置，默认就是阻塞访问。

> 第四，根据是否等待响应结果，可以把文件IO分为同步和异步IO

*  所谓同步IO，是指应用程序执行IO操作后，要一直等到整个IO完成后，才能获得IO响应
 *  所谓异步IO，是指应用程序执行IO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IO完成后，响应就会用事件通知的方式，告诉应用程序。

举个例子，在访问管道或者⽹络套接字时，设置了O\_ASYNC选项后，相应的I/O就是异步I/O。这样，内核会再通过SIGIO或者  
SIGPOLL，来通知进程⽂件是否可读写。

# 性能观察 #

## 容量 ##

对文件系统来说，最常见的一个问题就是空间不足。用df命令就能查看文件系统的磁盘空间使用情况：

$ df /dev/sda1
    Filesystem 1K-blocks Used Available Use% Mounted on
    /dev/sda1  30308240 3167020 27124836 11% /

可以看到，根⽂件系统只使⽤了11%的空间。这⾥还要注意，总空间⽤1K-blocks的数量来表示，可以给df加上-h选项，以获得更好的可读性

$ df -h /dev/sda1
    Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on
    /dev/sda1   29G 3.1G 26G   11% /`

不过有时候，明明碰到了空间不足的问题，但是用fd查看磁盘空间后，却发现剩余空间还有很多。为什么呢？

*  因为除了文件数据，索引节点也占空间。可以给df加上-i参数，查看索引节点的使用情况：

$ df -i /dev/sda1
    Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
    /dev/sda1 3870720 157460 3713260 5% /

*  索引节点的容量（也就是inode个数）是在格式化磁盘时设置好的，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。

所以，一般来说，删除这些小文件，或者把它们移动到索引节点充足的其他磁盘中，就可以解决这个问题

## 缓存 ##

可以使用free或者vmstat，来观察页缓存的大小。free输出的cache，是页缓存和可回收stab缓存的和，你可以直接从/proc/meminfo，直接得到它们的大小：

$ cat /proc/meminfo | grep -E "SReclaimable|Cached"
    Cached: 748316 kB
    SwapCached: 0 kB
    SReclaimable: 179508 kB

那么，对于文件系统中的目录项和索引节点缓存，又该如何观察呢？

*  实际上，内核使用slab机制，管理目录项和索引节点的缓存。/proc/meminfo只给出了Slab的整体⼤⼩，具体到每⼀种Slab缓存，还要查看/proc/slabinfo这个⽂件
 *  ⽐如，运⾏下⾯的命令，就可以得到，所有⽬录项和各种⽂件系统索引节点的缓存情况：
    
     *  dentry⾏表示⽬录项缓存
     *  inode\_cache⾏，表示VFS索引节点缓存
     *  其余的则是各种⽂件系统的索引节点缓存。

$ cat /proc/slabinfo | grep -E '^#|dentry|inode'
    # name <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab> <pagesperslab> : tunables <limit> <batchcount> <sharedfactor> : slabdata <active_slabs> <num_slabs> <sharedavail>
    xfs_inode 0 0 960 17 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 0
    ...
    ext4_inode_cache 32104 34590 1088 15 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 2306 2306 0hugetlbfs_inode_cache 13 13 624 13 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 1 1 0
    sock_inode_cache 1190 1242 704 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 54 54 0
    shmem_inode_cache 1622 2139 712 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 93 93 0
    proc_inode_cache 3560 4080 680 12 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 340 340 0
    inode_cache 25172 25818 608 13 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 1986 1986 0
    dentry 76050 121296 192 21 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 5776 5776 0

*  在实际性能分析中，我们更常使⽤ slabtop ，来找到占⽤内存最多的缓存类型。
    
     *  从下面可以看到，在当前系统中，⽬录项和索引节点占⽤了最多的Slab缓存。
     *  不过它们占⽤的内存其实并不⼤，加起来也只有23MB左右。

# 按下c按照缓存⼤⼩排序，按下a按照活跃对象数排序
    $ slabtop
    Active / Total Objects (% used) : 277970 / 358914 (77.4%)
    Active / Total Slabs (% used) : 12414 / 12414 (100.0%)
    Active / Total Caches (% used) : 83 / 135 (61.5%)
    Active / Total Size (% used) : 57816.88K / 73307.70K (78.9%)
    Minimum / Average / Maximum Object : 0.01K / 0.20K / 22.88K
    OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME
    69804 23094 0% 0.19K 3324 21 13296K dentry
    16380 15854 0% 0.59K 1260 13 10080K inode_cache
    58260 55397 0% 0.13K 1942 30 7768K kernfs_node_cache
    485 413 0% 5.69K 97 5 3104K task_struct
    1472 1397 0% 2.00K 92 16 2944K kmalloc-2048

# 总结 #

本节主要讲了Linux文件系统的工作原理：

*  文件系统，是对存储设备上的文件，进行组织管理的一种机制。为了支持各种不同的文件系统，Linux在各种文件系统实现上，抽象了一层虚拟文件系统（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。这样，用户进程和内核中的其他子系统，就只需要跟VFS提供的统一接口进行交互
 *  为了降低慢磁盘对性能的影响，文件系统又通过页缓存、目录项缓存以及索引节点缓存，缓和磁盘延迟对应用程序的影响

⽬录项是表示⽬录之间的树状关系，⽽⽂件名则会存储到数据部分。

⽬录项是⼀个缓存，不是持久化存储。⽬录也是⼀个⽂件，这个特殊⽂件保存了该⽬录的所有⽂件名与inode的对应关系

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