文件系统和磁盘工作原理

文件系统

• 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，提供了一个用于管理文件的树状结构。

索引节点和目录项

Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构，索引节点和目录项。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。

  # df -ih /
  Filesystem     Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
  /dev/vda1        3.2M   97K  3.1M    4% /
  

• 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。

image.png

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，又引入了一个抽象层，也就是虚拟文件系统 VFS（Virtual File System）。

image.png

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），然后才能访问其中的文件。

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机械磁盘工作原理

• 磁头
  读取磁盘表面磁方向和改变其方向，每个盘面有一个磁头，它极其贴近地悬浮在盘面上，但是绝对不与盘面接触，否则会损坏磁头和盘面；

• 磁道
  磁道是单个盘面上的同心圆

• 柱面
  在有多个盘片构成的盘组中，由不同盘片的面，但处于同一半径圆的多个磁道组成的一个圆柱面。

• 扇区
  磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是硬盘的扇区（Sector）。扇区是读写磁盘最基本的单位。

  
  image.jpg

• 寻道时间
  为了访问数据，第一步是：将磁头移动到目标的磁道之上。

• 旋转延时
  一旦磁头到达了正确的磁道，就必须等待要访问的扇区转动到读写头下面，该等待时间称为旋转延时。
  平均时延通常是磁盘转档一周时间的一半。

• 传输时间
  即传输一块数据所需要的时间。

机械磁盘的最小读写单位是扇区，一般大小为 512 字节。如果每次都读写 512 字节这么小的单位的话，效率很低。所以，文件系统会把连续的扇区或页，组成逻辑块，然后以逻辑块作为最小单元来管理数据。常见的逻辑块的大小是 4KB。

通用块层

在 Linux 中，磁盘实际上是作为一个块设备来管理的。虚拟文件系统 VFS 类似，为了减小不同块设备的差异带来的影响，Linux 通过一个统一的通用块层，来管理各种不同的块设备。

通用块层，其实是处在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层：

• 第一个功能跟虚拟文件系统的功能类似。向上，为文件系统和应用程序，提供访问块设备的标准接口；向下，把各种异构的磁盘设备抽象为统一的块设备，并提供统一框架来管理这些设备的驱动程序。

• 第二个功能，通用块层还会给文件系统和应用程序发来的 I/O 请求排队，并通过重新排序、请求合并等方式，提高磁盘读写的效率。

  对 I/O 请求排序的过程，也就是我们熟悉的 I/O 调度：

  • None
    它完全不使用任何 I/O 调度器，对文件系统和应用程序的 I/O 其实不做任何处理，常用在虚拟机中（此时磁盘 I/O 调度完全由物理机负责）。
  • NOOP
    是最简单的一种 I/O 调度算法。它实际上是一个先入先出的队列，只做一些最基本的请求合并，常用于 SSD 磁盘。
  • CFQ
    也被称为完全公平调度器，是现在很多发行版的默认 I/O 调度器，它为每个进程维护了一个 I/O 调度队列，并按照时间片来均匀分布每个进程的 I/O 请求。
  • DeadLine
    分别为读、写请求创建了不同的 I/O 队列，可以提高机械磁盘的吞吐量，并确保达到最终期限（deadline）的请求被优先处理。DeadLine 调度算法，多用在 I/O 压力比较重的场景，比如数据库等。

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I/O栈

可以把 Linux 存储系统的 I/O 栈，由上到下分为三个层次，分别是文件系统层、通用块层和设备层。这三个 I/O 层的关系如下图所示：

image.png

根据这张 I/O 栈的全景图，可以更清楚地理解，存储系统 I/O 的工作原理：

• 文件系统层，包括虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现。它为上层的应用程序，提供标准的文件访问接口；对下会通过通用块层，来存储和管理磁盘数据。

• 通用块层，包括块设备 I/O 队列和 I/O 调度器。它会对文件系统的 I/O 请求进行排队，再通过重新排序和请求合并，然后才要发送给下一级的设备层。

• 设备层，包括存储设备和相应的驱动程序，负责最终物理设备的 I/O 操作。

存储系统的 I/O ，通常是整个系统中最慢的一环；所以， Linux 通过多种缓存机制来优化 I/O 效率。比如说：
为了优化文件访问的性能，会使用页缓存、索引节点缓存、目录项缓存等多种缓存机制，以减少对下层块设备的直接调用。
同样，为了优化块设备的访问效率，会使用缓冲区，来缓存块设备的数据。