和 CPU、內(nèi)存相同，磁盤(pán)和文件體系的辦理，也是操作體系最核心的功能。
磁盤(pán)為體系供給了最基本的持久化存儲(chǔ)。
文件體系則在磁盤(pán)的基礎(chǔ)上，供給了一個(gè)用來(lái)辦理文件的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。
那么，磁盤(pán)和文件體系是怎么作業(yè)的呢?又有哪些目標(biāo)能夠衡量它們的功能呢？
索引節(jié)點(diǎn)和目錄項(xiàng)
文件體系，本身是對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備上的文件，進(jìn)行安排辦理的機(jī)制。安排方法不同，就會(huì)構(gòu)成不同的文件體系。
咱們要記住最重要的一點(diǎn)，在 Linux 中一切皆文件。不只普通的文件和目錄，就連塊設(shè)備、 套接字、管道等，也都要經(jīng)過(guò)一致的文件體系來(lái)辦理。
為了方便辦理，Linux 文件體系為每個(gè)文件都分配兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，索引節(jié)點(diǎn)(index node)和目錄項(xiàng)(directory entry)。它們首要用來(lái)記載文件的元信息和目錄結(jié)構(gòu)。
索引節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱為 inode，用來(lái)記載文件的元數(shù)據(jù)，比方 inode 編號(hào)、文件巨細(xì)、拜訪 權(quán)限、修正日期、數(shù)據(jù)的位置等。索引節(jié)點(diǎn)和文件一一對(duì)應(yīng)，它跟文件內(nèi)容相同，都會(huì) 被持久化存儲(chǔ)到磁盤(pán)中。所以記住，索引節(jié)點(diǎn)同樣占用磁盤(pán)空間。
目錄項(xiàng)，簡(jiǎn)稱為 dentry，用來(lái)記載文件的名字、索引節(jié)點(diǎn)指針以及與其他目錄項(xiàng)的相關(guān) 聯(lián)系。多個(gè)相關(guān)的目錄項(xiàng)，就構(gòu)成了文件體系的目錄結(jié)構(gòu)。不過(guò)，不同于索引節(jié)點(diǎn)，目錄項(xiàng)是由內(nèi)核保護(hù)的一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以一般也被叫做目錄項(xiàng)緩存。
換句話說(shuō)，索引節(jié)點(diǎn)是每個(gè)文件的唯一標(biāo)志，而目錄項(xiàng)保護(hù)的正是文件體系的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。目錄項(xiàng)和索引節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系是多對(duì)一，你能夠簡(jiǎn)單了解為，一個(gè)文件能夠有多個(gè)別號(hào)。
舉個(gè)比方，經(jīng)過(guò)硬鏈接為文件創(chuàng)建的別號(hào)，就會(huì)對(duì)應(yīng)不同的目錄項(xiàng)，不過(guò)這些目錄項(xiàng)本質(zhì)上仍是鏈接同一個(gè)文件，所以，它們的索引節(jié)點(diǎn)相同。
索引節(jié)點(diǎn)和目錄項(xiàng)紀(jì)錄了文件的元數(shù)據(jù)，以及文件間的目錄聯(lián)系，那么具體來(lái)說(shuō)，文件數(shù)據(jù)到底是怎么存儲(chǔ)的呢？是不是直接寫(xiě)到磁盤(pán)中就好了呢？
實(shí)際上，磁盤(pán)讀寫(xiě)的最小單位是扇區(qū)，然而扇區(qū)只要 512B 巨細(xì)，假如每次都讀寫(xiě)這么小的單位，功率必定很低。所以，文件體系又把接連的扇區(qū)組成了邏輯塊，然后每次都以邏 輯塊為最小單元，來(lái)辦理數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的邏輯塊巨細(xì)為 4KB，也便是由接連的 8 個(gè)扇區(qū)組成。
為了協(xié)助咱們了解目錄項(xiàng)、索引節(jié)點(diǎn)以及文件數(shù)據(jù)的聯(lián)系，畫(huà)了一張示意圖。咱們能夠?qū)φ罩@張圖，來(lái)回憶剛剛講過(guò)的內(nèi)容，把知識(shí)和細(xì)節(jié)串聯(lián)起來(lái)。
不過(guò)，這里有兩點(diǎn)需要咱們注意：
榜首，目錄項(xiàng)本身便是一個(gè)內(nèi)存緩存，而索引節(jié)點(diǎn)則是存儲(chǔ)在磁盤(pán)中的數(shù)據(jù)。在前面的 Buffer 和 Cache 原理中，我從前提到過(guò)，為了協(xié)調(diào)慢速磁盤(pán)與快速 CPU 的功能差異，文 件內(nèi)容會(huì)緩存到頁(yè)緩存 Cache 中。那么，咱們也應(yīng)該想到，這些索引節(jié)點(diǎn)天然也會(huì)緩存到內(nèi)存中，加快文件的拜訪。
第二，磁盤(pán)在履行文件體系格式化時(shí)，會(huì)被分紅三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，超級(jí)塊、索引節(jié)點(diǎn)區(qū)和數(shù)
據(jù)塊區(qū)。其間，
超級(jí)塊，存儲(chǔ)整個(gè)文件體系的狀態(tài)。
索引節(jié)點(diǎn)區(qū)，用來(lái)存儲(chǔ)索引節(jié)點(diǎn)。
數(shù)據(jù)塊區(qū)，則用來(lái)存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)。
虛擬文件體系
目錄項(xiàng)、索引節(jié)點(diǎn)、邏輯塊以及超級(jí)塊，構(gòu)成了 Linux 文件體系的四大基本要素。不過(guò)， 為了支撐各種不同的文件體系，Linux 內(nèi)核在用戶進(jìn)程和文件體系的中心，又引入了一個(gè)籠統(tǒng)層，也便是虛擬文件體系 VFS(Virtual File System)。
VFS 定義了一組一切文件體系都支撐的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和規(guī)范接口。這樣，用戶進(jìn)程和內(nèi)核中的其他子體系，只需要跟 VFS 供給的一致接口進(jìn)行交互就能夠了，而不需要再關(guān)心底層各種文件體系的完結(jié)細(xì)節(jié)。
這里，下圖是 Linux 文件體系的架構(gòu)圖，幫咱們更好地了解體系調(diào)用、VFS、緩存、文 件體系以及塊存儲(chǔ)之間的聯(lián)系。
經(jīng)過(guò)這張圖，能夠看到，在 VFS 的下方，Linux 支撐各種各樣的文件體系，如 Ext4、 XFS、NFS 等等。依照存儲(chǔ)位置的不同，這些文件體系能夠分為三類。
榜首類是依據(jù)磁盤(pán)的文件體系，也便是把數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)本地掛載的磁盤(pán)中。常見(jiàn)的 Ext4、XFS、OverlayFS 等，都是這類文件體系。
第二類是依據(jù)內(nèi)存的文件體系，也便是咱們常說(shuō)的虛擬文件體系。這類文件體系，不需要任何磁盤(pán)分配存儲(chǔ)空間，但會(huì)占用內(nèi)存。咱們經(jīng)常用到的 /proc 文件體系，其實(shí)便是 一種最常見(jiàn)的虛擬文件體系。此外，/sys 文件體系也歸于這一類，首要向用戶空間導(dǎo)出層次化的內(nèi)核目標(biāo)。
第三類是網(wǎng)絡(luò)文件體系，也便是用來(lái)拜訪其他計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的文件體系，比方 NFS、 SMB、iSCSI 等。
這些文件體系，要先掛載到 VFS 目錄樹(shù)中的某個(gè)子目錄(稱為掛載點(diǎn))，然后才干拜訪其間的文件。拿榜首類，也便是依據(jù)磁盤(pán)的文件體系為例，在裝置體系時(shí)，要先掛載一個(gè)根 目錄(/)，在根目錄下再把其他文件體系(比方其他的磁盤(pán)分區(qū)、/proc 文件體系、/sys 文件體系、NFS 等)掛載進(jìn)來(lái)。
文件體系 I/O
把文件體系掛載到掛載點(diǎn)后，你就能經(jīng)過(guò)掛載點(diǎn)，再去拜訪它辦理的文件了。VFS 供給了一組規(guī)范的文件拜訪接口。這些接口以體系調(diào)用的方法，供給給應(yīng)用程序運(yùn)用。
就拿 cat 命令來(lái)說(shuō)，它首要調(diào)用 open() ，打開(kāi)一個(gè)文件;然后調(diào)用 read() ，讀取文件的內(nèi)容;最終再調(diào)用 write() ，把文件內(nèi)容輸出到控制臺(tái)的規(guī)范輸出中:
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);
文件讀寫(xiě)方法的各種差異，導(dǎo)致 I/O 的分類多種多樣。最常見(jiàn)的有，緩沖與非緩沖 I/O、 直接與非直接 I/O、堵塞與非堵塞 I/O、同步與異步 I/O 等。 接下來(lái)，咱們就詳細(xì)看這四種分類。
榜首種，依據(jù)是否使用規(guī)范庫(kù)緩存，能夠把文件 I/O 分為緩沖 I/O 與非緩沖 I/O。
緩沖 I/O，是指使用規(guī)范庫(kù)緩存來(lái)加快文件的拜訪，而規(guī)范庫(kù)內(nèi)部再經(jīng)過(guò)體系調(diào)度拜訪文件。
非緩沖 I/O，是指直接經(jīng)過(guò)體系調(diào)用來(lái)拜訪文件，不再經(jīng)過(guò)規(guī)范庫(kù)緩存。
注意，這里所說(shuō)的“緩沖”，是目規(guī)范庫(kù)內(nèi)部完結(jié)的緩存。比方說(shuō)，你可能見(jiàn)到過(guò)，很多程序遇到換行時(shí)才真實(shí)輸出，而換行前的內(nèi)容，其實(shí)便是被規(guī)范庫(kù)暫時(shí)緩存了起來(lái)。
無(wú)論緩沖 I/O 還對(duì)錯(cuò)緩沖 I/O，它們最終仍是要經(jīng)過(guò)體系調(diào)用來(lái)拜訪文件。咱們知道，體系調(diào)用后，還會(huì)經(jīng)過(guò)頁(yè)緩存，來(lái)削減磁盤(pán)的 I/O 操作。
第二，依據(jù)是否使用操作體系的頁(yè)緩存，能夠把文件 I/O 分為直接 I/O 與非直接 I/O。
直接 I/O，是指越過(guò)操作體系的頁(yè)緩存，直接跟文件體系交互來(lái)拜訪文件。
非直接 I/O 正好相反，文件讀寫(xiě)時(shí)，先要經(jīng)過(guò)體系的頁(yè)緩存，然后再由內(nèi)核或額外的體系調(diào)用，真實(shí)寫(xiě)入磁盤(pán)。
想要完結(jié)直接 I/O，需要你在體系調(diào)用中，指定 O_DIRECT 標(biāo)志。假如沒(méi)有設(shè)置過(guò)，默許 的對(duì)錯(cuò)直接 I/O。
不過(guò)要注意，直接 I/O、非直接 I/O，本質(zhì)上仍是和文件體系交互。假如是在數(shù)據(jù)庫(kù)等場(chǎng)景中，還會(huì)看到，越過(guò)文件體系讀寫(xiě)磁盤(pán)的狀況，也便是咱們一般所說(shuō)的裸 I/O。
第三，依據(jù)應(yīng)用程序是否堵塞本身運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠把文件 I/O 分為堵塞 I/O 和非堵塞 I/O
所謂堵塞 I/O，是指應(yīng)用程序履行 I/O 操作后，假如沒(méi)有取得呼應(yīng)，就會(huì)堵塞當(dāng)前線程，天然就不能履行其他任務(wù)。
所謂非堵塞 I/O，是指應(yīng)用程序履行 I/O 操作后，不會(huì)堵塞當(dāng)前的線程，能夠持續(xù)履行其他的任務(wù)，隨后再經(jīng)過(guò)輪詢或許事情告知的方法，獲取調(diào)用的結(jié)果。
比方說(shuō)，拜訪管道或許網(wǎng)絡(luò)套接字時(shí)，設(shè)置 O_NONBLOCK 標(biāo)志，就表明用非堵塞方法拜訪；而假如不做任何設(shè)置，默許的便是堵塞拜訪。
第四，依據(jù)是否等待呼應(yīng)結(jié)果，能夠把文件 I/O 分為同步和異步 I/O
所謂同步 I/O，是指應(yīng)用程序履行 I/O 操作后，要一向比及整個(gè) I/O 完結(jié)后，才干取得 I/O 呼應(yīng)。
所謂異步 I/O，是指應(yīng)用程序履行 I/O 操作后，不必等待完結(jié)和完結(jié)后的呼應(yīng)，而是持續(xù)履行就能夠。比及這次 I/O 完結(jié)后，呼應(yīng)會(huì)用事情告知的方法，告知應(yīng)用程序。
例如，在操作文件時(shí)，假如設(shè)置了 O_SYNC 或許 O_DSYNC 標(biāo)志，就代表同步 I/O。假如設(shè)置了 O_DSYNC，就要等文件數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)后，才干返回；而 O_SYNC，則是在 O_DSYNC 基礎(chǔ)上，要求文件元數(shù)據(jù)也要寫(xiě)入磁盤(pán)后，才干返回。
再比方，在拜訪管道或許網(wǎng)絡(luò)套接字時(shí)，設(shè)置了 O_ASYNC 選項(xiàng)后，相應(yīng)的 I/O 便是異步I/O。這樣，內(nèi)核會(huì)再經(jīng)過(guò) SIGIO 或許 SIGPOLL，來(lái)告知進(jìn)程文件是否可讀寫(xiě)。
咱們可能發(fā)現(xiàn)了，這里的很多概念也經(jīng)常出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)編程中。比方非堵塞 I/O，一般會(huì)跟 select/poll 配合，用在網(wǎng)絡(luò)套接字的 I/O 中。
這下咱們也應(yīng)該能夠了解，“Linux 一切皆文件”的深刻含義。無(wú)論是普通文件和塊設(shè)備、仍是網(wǎng)絡(luò)套接字和管道等，它們都經(jīng)過(guò)一致的 VFS 接口來(lái)拜訪。
