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文件系统

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。

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。

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。

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，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同一个文件，所以，它们的索引节点相同。

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，也就是由连续的 8 个扇区组成。

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有两点需要注意。

第一，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，文件内容会缓存到页缓存 Cache 中。

这些索引节点自然也会缓存到内存中，加速文件的访问。

第二，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，

  • 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，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。

  • 目录项，记录了文件的名字，以及文件与其他目录项之间的目录关系。
  • 索引节点，记录了文件的元数据。
  • 逻辑块，是由连续磁盘扇区构成的最小读写单元，用来存储文件数据。
  • 超级块，用来记录文件系统整体的状态，如索引节点和逻辑块的使用情况等。

其中目录项是一个内存缓存；而超级块、索引节点和逻辑块，都是存储在磁盘中的持久化数据。

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。

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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。

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。

缓冲 I/O 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。

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。

直接 I/O 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。

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。

直接 I/O 不是裸 I/O。

阻塞 I/O 和非阻塞 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。

文件 I/O 分为同步和异步 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。

在操作文件时，如果你设置了 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。

阻塞 / 非阻塞和同步 / 异步，其实就是两个不同角度的 I/O 划分方式。它们描述的对象也不同，阻塞 / 非阻塞针对的是 I/O 调用者（即应用程序），而同步 / 异步针对的是 I/O 执行者（即系统）。

比如在 Linux I/O 调用中，

  • 系统调用 read 是同步读，所以，在没有得到磁盘数据前，read 不会响应应用程序。
  • 而 aio_read 是异步读，系统收到 AIO 读请求后不等处理就返回了，而具体的 read 结果，再通过回调异步通知应用程序。

在网络套接字的接口中，

  • 使用 send() 直接向套接字发送数据时，如果套接字没有设置 O_NONBLOCK 标识，那么 send() 操作就会一直阻塞，当前线程也没法去做其他事情。
  • 当然，如果你用了 epoll，系统会告诉你这个套接字的状态，那就可以用非阻塞的方式使用。当这个套接字不可写的时候，你可以去做其他事情，比如读写其他套接字。

性能观测​

容量​

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% /

总空间用 1K-blocks 的数量来表示，给 df 加上 -h 选项

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

不过有时候，明明你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？

除了文件数据，索引节点也占用磁盘空间。你可以给 df 命令加上 -i 参数，查看索引节点的使用情况，如下所示：

$ df -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定好的，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​

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:           748316 kB 
SwapCached:            0 kB 
SReclaimable:     179508 kB

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。

运行下面的命令，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：

$ 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

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。

# 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

可以看到，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。