linux文件系统原理之一切皆文件

2021-03-29  本文已影响0人  Vackine

linux 文件系统工作原理简介

文件系统时对存储设备上的文件进行组织管理的机制，组织方式不同就形成了不同的文件系统类型。

linux 中一切皆文件：不仅时普通的文件和目录，连块设备，套接字，管道等都是通过统一的文件系统来进行管理的。

索引节点和目录项

linux 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 dictionary entry），来对文件进行管理。其中索引节点（index node）记录文件的元数据信息，目录项（dictionary entry）记录文件的目录结构信息。

即索引节点是每个文件的唯一标志，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，可以简单理解为，一个文件可以有多个别名。如，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同一个文件，所以，它们的索引节点是相同的。

文件数据的存储方式

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，然后每次都以逻辑块为最小单元来管理数据。常见的逻辑块大小为 4KB，由连续的 8 个扇区组成。

目录项、索引节点以及文件数据的关系：

inode.png

  1. 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。在前面的 Buffer 和 Cache 原理中，为了协调慢速磁盘与快速 CPU 的性能差异，文件内容会缓存到页缓存 Cache 中。所以这些索引节点自然也会缓存到内存中，加速文件的访问。

  2. 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、索引节点区和数据块区。其中，

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。另外，为了支持各种不同类型的文件系统，linux内核在用户进程和文件系统之间又加入了一个抽象层-- 虚拟文件系统VFS（virtual file system）.

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，只需要跟VFS提供的统一的接口进行交互即可，而不需要关心各种底层的文件系统的实现细节。

系统调用，VFS，缓存，文件系统以及块存储之间的关系如下：

vfs.png

在VFS的下方，linux支持各种类型的文件系统，如Ext4、XFS、NFS等。按照存储位置的不同，文件系统可以分为三类：

  1. 基于磁盘的文件系统，即把数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中，常见又： Ext4， XFS， OverlayFS等类型的文件系统。

  2. 基于内存的文件系统，即常说的虚拟文件系统。此类文件系统不需要任何的磁盘分配空间，但会占用内存，常见的有 /proc, /sys（主要向用户空间导出层次化的内核对象）等

  3. 网络文件系统，即用来访问其他计算机数据的文件系统，如NFS,SMB, iSCSI等。

以上提到的这些文件系统，要先挂载到VFS目录树中的某个子目录（挂载点），然后才能访问其中的文件。如在安装系统时，要先挂载一个根目录（/）,在根目录下在把其他文件系统（其他磁盘分区、/proc文件系统、/sys文件系统、NFS等）挂载进来。

文件系统 IO

当把文件系统挂载到挂载点之后，就能够通过挂载点去访问管理的文件了。 VFS提供了一组标准的文件访问接口，以系统调用的方式提供给应用程序使用。

如cat命令，首先调用open()打开一个文件；然后调用read(),读取文件内容；最后调用write()把文件内容输出到控制台的标准输出中。

strace cat vi
execve("/usr/bin/cat", ["cat", "vi"], 0x7ffcc99897c8 /* 48 vars */) = 0
brk(NULL)                               = 0x55b305e3d000
arch_prctl(0x3001 /* ARCH_??? */, 0x7ffdb0bafeb0) = -1 EINVAL (Invalid argument)
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=71314, ...}) = 0
mmap(NULL, 71314, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7fa9e9c0b000
close(3)                                = 0
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\360q\2\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
pread64(3, "\6\0\0\0\4\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0"..., 784, 64) = 784
pread64(3, "\4\0\0\0\20\0\0\0\5\0\0\0GNU\0\2\0\0\300\4\0\0\0\3\0\0\0\0\0\0\0", 32, 848) = 32
pread64(3, "\4\0\0\0\24\0\0\0\3\0\0\0GNU\0\t\233\222%\274\260\320\31\331\326\10\204\276X>\263"..., 68, 880) = 68
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2029224, ...}) = 0
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fa9e9c09000
pread64(3, "\6\0\0\0\4\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0"..., 784, 64) = 784
pread64(3, "\4\0\0\0\20\0\0\0\5\0\0\0GNU\0\2\0\0\300\4\0\0\0\3\0\0\0\0\0\0\0", 32, 848) = 32
pread64(3, "\4\0\0\0\24\0\0\0\3\0\0\0GNU\0\t\233\222%\274\260\320\31\331\326\10\204\276X>\263"..., 68, 880) = 68
mmap(NULL, 2036952, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7fa9e9a17000
mprotect(0x7fa9e9a3c000, 1847296, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7fa9e9a3c000, 1540096, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x25000) = 0x7fa9e9a3c000
mmap(0x7fa9e9bb4000, 303104, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x19d000) = 0x7fa9e9bb4000
mmap(0x7fa9e9bff000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1e7000) = 0x7fa9e9bff000
mmap(0x7fa9e9c05000, 13528, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fa9e9c05000
close(3)                                = 0
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7fa9e9c0a580) = 0
mprotect(0x7fa9e9bff000, 12288, PROT_READ) = 0
mprotect(0x55b3058ca000, 4096, PROT_READ) = 0
mprotect(0x7fa9e9c4a000, 4096, PROT_READ) = 0
munmap(0x7fa9e9c0b000, 71314)           = 0
brk(NULL)                               = 0x55b305e3d000
brk(0x55b305e5e000)                     = 0x55b305e5e000
openat(AT_FDCWD, "/usr/lib/locale/locale-archive", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=5699248, ...}) = 0
mmap(NULL, 5699248, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7fa9e94a7000
close(3)                                = 0
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(0x88, 0), ...}) = 0
openat(AT_FDCWD, "vi", O_RDONLY)        = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=60, ...}) = 0
fadvise64(3, 0, 0, POSIX_FADV_SEQUENTIAL) = 0
mmap(NULL, 139264, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fa9e9485000
read(3, "{\n    \"registry-mirrors\": [\"http"..., 131072) = 60
write(1, "{\n    \"registry-mirrors\": [\"http"..., 60{
    "registry-mirrors": ["http://hub-mirror.c.163.com"]
}
) = 60
read(3, "", 131072)                     = 0
munmap(0x7fa9e9485000, 139264)          = 0
close(3)                                = 0
close(1)                                = 0
close(2)                                = 0
exit_group(0)                           = ?
+++ exited with 0 +++

文件读写方式的各种差异，导致了IO分类的多种多样，最常见的有，缓冲于非缓冲IO，直接于非直接IO，阻塞于非阻塞IO，同步于异步IO。各种分类方式的依据如下：

  1. 根据是否利用了标准库缓存，可以把文件IO分为缓冲于非缓冲IO。

所说的"缓冲",是指标准库内部实现的缓存，如很多程序遇到换行时才真正输出，而换行前的内容就是被标准库暂时缓存了。

无论时缓冲IO还是非缓冲IO，它们最终都需要经过系统调用来访问文件，所以在系统调用后，还会通过页缓存来减少磁盘的IO操作。

  1. 根据是否利用操作系统的页缓存，可以把文件系统IO分为直接IO与非直接IO。

如果要实现直接IO，需要再系统调用中指定O_DIRECT 标志，如果没有设置，默认是非直接IO。另外不管是直接IO还是非直接IO，本质上都是和文件系统的交互，在其他一些场景中（数据库场景），还会有跳过文件系统直接读写磁盘的场景（裸IO）。

  1. 根据应用程序是否阻塞自身运行，可以把文件IO分为阻塞IO和非阻塞IO。

如访问管道或者网络套接字时，设置了O_NONBLOCK标志，就表示用非阻塞的方式进行访问，如果不做任何设置，默认是阻塞的方式进行访问。

  1. 根据是否等待响应结果，可以把文件IO分为同步和异步IO。

如，再操作文件时如果设置了O_SYNC或者O_DSYNC标志，就代表同步IO， 如果设置了O_DSYNC，需要等文件数据写入磁盘后才能返回，而O_SYNC在O_DSYNC的基础上，要求文件元数据也要写入磁盘后才能返回。

在访问管道或者套接字时, O_ASYNC设置选项标志IO是异步操作，此时内核会通过SIGIO 或者SIGPOLL信号来通知进程文件是否可写。

很多IO的概念页出现在网络编程中，如非阻塞IO通常会跟select/poll配合使用。

至此，可以理解“linux 一切皆文件” 的含义：无论是普通文件和块设备、还是网络套接字和管道等，它们都是通过统一的VFS接口来访问的。

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