Linux 文件系统是怎么工作的？
时间：2021-09-10 16:31:49
[导读]↓推荐关注↓和CPU、内存一样，磁盘和文件系统的管理，也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状结构。那么，磁盘和文件系统是怎么工作的呢?又有哪些指标可以衡量它们的性能呢？索引节点和目录项文件系统，本身是对...
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- 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状结构。
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。组织方式不同，就会形成不同的文件系统。我们要记住最重要的一点，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。
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)。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 提供的统一接口进行交互就可以了，而不需要再关心底层各种文件系统的实现细节。这里，下图是 Linux 文件系统的架构图，帮我们更好地理解系统调用、VFS、缓存、文 件系统以及块存储之间的关系。文件系统 I/O
把文件系统挂载到挂载点后，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方式，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。最常见的有，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 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。注意，这里所说的“缓冲”，是指标准库内部实现的缓存。比方说，你可能见到过，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 I/O 还是非缓冲 I/O，它们最终还是要经过系统调用来访问文件。我们知道，系统调用后，还会通过页缓存，来减少磁盘的 I/O 操作。第二，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。想要实现直接 I/O，需要你在系统调用中，指定 O_DIRECT 标志。如果没有设置过，默认 的是非直接 I/O。不过要注意，直接 I/O、非直接 I/O，本质上还是和文件系统交互。如果是在数据库等场景中，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。第三，根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。比方说，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；而如果不做任何设置，默认的就是阻塞访问。第四，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。例如，在操作文件时，如果设置了 O_SYNC 或者 O_DSYNC 标志，就代表同步 I/O。如果设置了 O_DSYNC，就要等文件数据写入磁盘后，才能返回；而 O_SYNC，则是在 O_DSYNC 基础上，要求文件元数据也要写入磁盘后，才能返回。再比如，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。我们可能发现了，这里的好多概念也经常出现在网络编程中。比如非阻塞 I/O，通常会跟 select/poll 配合，用在网络套接字的 I/O 中。这下我们也应该可以理解，“Linux 一切皆文件”的深刻含义。无论是普通文件和块设备、还是网络套接字和管道等，它们都通过统一的 VFS 接口来访问。性能观测
接下来，打开一个终端，SSH 登录到服务器上，我们一起来探索，如何观测文件系统的性能。容量
对文件系统来说，最常见的一个问题就是空间不足。当然，你可能本身就知道，用 df 命 令，就能查看文件系统的磁盘空间使用情况。比如：df /dev/vda1
文件系统 1K-块 已用 可用 已用% 挂载点
/dev/vda1 104846316 28228044 76618272 27% /
可以看到，我的根文件系统只使用了 27% 的空间。这里还要注意，总空间用 1K- 快 的数量来表示，你可以给 df 加上 -h 选项，以获得更好的可读性：df -h /dev/vda1
文件系统 容量 已用 可用 已用% 挂载点
/dev/vda1 100G 27G 74G 27% /
不过有时候，明明碰到了空间不足的问题，可是用 df 查看磁盘空间后，却发现剩余空间还有很多。这是怎么回事呢？其实除了文件数据，索引节点也占用磁盘空间。可以给 df 命令加上 -i 参数，查看索引节点的使用情况，如下所示：df -h -i /dev/vda1
文件系统 Inode 已用(I) 可用(I) 已用(I)% 挂载点
/dev/vda1 50M 162K 50M 1% /
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
可以用 free 或 vmstat，来观察页缓存的大小。free 输出的 Cache，是页缓存和可回收 Slab 缓存的和，你可以从 /proc/meminfo ，直接得到它们的大小：cat /proc/meminfo | grep -E "SReclaimable|Cached"
Cached: 2014100 kB
SwapCached: 5316 kB
SReclaimable: 216128 kB
话说回来，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，你就可以得到，所有目录项和各种文件系统索引节点的缓存情况：# name : tunab
cat /proc/slabinfo | grep -E '^#|dentry|inode'
# name : tunables : slabdata
ovl_inode 66 66 736 22 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 3 3 0
fuse_inode 0 0 832 19 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 0
xfs_inode 100470 110736 1024 16 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 6921 6921 0
mqueue_inode_cache 64 64 1024 16 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 4 4 0
hugetlbfs_inode_cache 48 48 680 24 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 2 2 0
sock_inode_cache 4581 4807 704 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 209 209 0
shmem_inode_cache 1816 2541 760 21 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 121 121 0
proc_inode_cache 10210 13024 728 22 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 592 592 0
inode_cache 36498 38832 656 24 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 1618 1618 0
dentry 150086 183204 192 21 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 8724 8724 0
这个界面中，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。/proc/slabinfo 的列比较多，具体含义可以查询 man slabinfo。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。比如，下面就是运行 slabtop 得到的结果：# 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) : 991123 / 1087653 (91.1%)
Active / Total Slabs (% used) : 40627 / 40627 (100.0%)
Active / Total Caches (% used) : 103 / 138 (74.6%)
Active / Total Size (% used) : 329426.37K / 371563.66K (88.7%)
Minimum / Average / Maximum Object : 0.01K / 0.34K / 8.00K
OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME
183204 150026 81% 0.19K 8724 21 34896K dentry
38832 36498 93% 0.64K 1618 24 25888K inode_cache
....
6174 6009 97% 0.19K 294 21 1176K cred_jar
6066 5878 96% 0.44K 337 18 2696K xfrm_dst_cache
5950 5950 100% 0.02K 35 170 140K avtab_node
4807 4581 95% 0.69K 209 23 3344K sock_inode_cache
3948 3812 96% 1.12K 141 28 4512K signal_cache
3744 3680 98% 0.25K 234 16 936K skbuff_head_cache
3634 3634 100% 0.09K 79 46 316K trace_event_file
从这个结果你可以看到，在我的系统中，目录项（dentry）和索引节点（inode_cache）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 60MB 左右。总结
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。为了支持各类不同的文件系统，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。为了降低慢速磁盘对性能的影响，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。- EOF -
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