本文参考极客时间付费课程,将众多 IO 相关的知识柔和成一篇,细节部分没有连贯,仅作为学习记录笔记。

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)。

  • 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。

  • 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。

索引节点和目录项纪录了文件的元数据,以及文件间的目录关系,如下图。

那么具体来说,文件数据到底是怎么存储的呢?

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。

磁盘读写的最小单位是扇区,然而扇区只有 512B 大小,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。

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。

这些文件系统可以分为三类:

  1. 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
  2. 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。
  3. 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。

以上



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