Linux文件系统工作原理

磁盘为系统提供了最基本的持久化存储而文件系统则在磁盘的基础上,提供了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,

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,索引节点和目录项.他们主要用来记录文件的元信息和目录结构.

　　索引节点

　　　　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,他跟文件内容一样,都会被持久化存储到磁盘中.所以,索引节点同样站磁盘空间

　　目录项:

　　　　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.

简单来说,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.等于说一个文件可以由多个别名

注意:　

　　目录项本身就是内存缓存,而索引节点则是存储在磁盘中的数据,所以索引节点也是可以被缓存在内存中的,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,索引节点区和数据块区

　　　　超级快: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

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）

通过这张图，你可以看到，在 VFS 的下方，Linux 支持各种各样的文件系统，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。常见的 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，也就是我们常说的虚拟文件系统。这类文件系统，不需要任何磁盘分配存储空间，但会占用内存。我们经常用到的 /proc 文件系统，其实就是一种最常见的虚拟文件系统。此外，/sys 文件系统也属于这一类，主要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，也就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），然后才能访问其中的文件。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 文件系统、/sys 文件系统、NFS 等）挂载进来。

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

　　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。 

　　　　第一种缓冲与非缓冲I/O，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。系统调用后，还会通过页缓存，来减少磁盘的 I/O 操作。

　　　　第二直接与非直接I/O，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，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。

　　　　第三阻塞与非阻塞I/O，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。

　　　　第四同步与异步I/O，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。