Linux文件系統(tǒng)究竟是怎么工作的？
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和 CPU、內(nèi)存一樣，磁盤(pán)和文件系統(tǒng)的管理，也是操作系統(tǒng)最核心的功能。
磁盤(pán)為系統(tǒng)提供了最基本的持久化存儲(chǔ)。
文件系統(tǒng)則在磁盤(pán)的基礎(chǔ)上，提供了一個(gè)用來(lái)管理文件的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。
那么，磁盤(pán)和文件系統(tǒng)是怎么工作的呢?又有哪些指標(biāo)可以衡量它們的性能呢？
索引節(jié)點(diǎn)和目錄項(xiàng)
文件系統(tǒng)，本身是對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備上的文件，進(jìn)行組織管理的機(jī)制。組織方式不同，就會(huì)形成不同的文件系統(tǒng)。
我們要記住最重要的一點(diǎn)，在 Linux 中一切皆文件。不僅普通的文件和目錄，就連塊設(shè)備、 套接字、管道等，也都要通過(guò)統(tǒng)一的文件系統(tǒng)來(lái)管理。
為了方便管理，Linux 文件系統(tǒng)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)。它們主要用來(lái)記錄文件的元信息和目錄結(jié)構(gòu)。
索引節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)稱(chēng)為 inode，用來(lái)記錄文件的元數(shù)據(jù)，比如 inode 編號(hào)、文件大小、訪(fǎng)問(wèn) 權(quán)限、修改日期、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)容一樣，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(chēng)為 dentry，用來(lái)記錄文件的名字、索引節(jié)點(diǎn)指針以及與其他目錄項(xiàng)的關(guān)聯(lián) 關(guān)系。多個(gè)關(guān)聯(lián)的目錄項(xiàng)，就構(gòu)成了文件系統(tǒng)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)核維護(hù)的一個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以通常也被叫做目錄項(xiàng)緩存。
換句話(huà)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)維護(hù)的正是文件系統(tǒng)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。目錄項(xiàng)和索引節(jié)點(diǎn)的關(guān)系是多對(duì)一，你可以簡(jiǎn)單理解為，一個(gè)文件可以有多個(gè)別名。
舉個(gè)例子，通過(guò)硬鏈接為文件創(chuàng)建的別名，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)上還是鏈接同一個(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)，以及文件間的目錄關(guān)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)只有 512B 大小，如果每次都讀寫(xiě)這么小的單位，效率一定很低。所以，文件系統(tǒng)又把連續(xù)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)管理數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的邏輯塊大小為 4KB，也就是由連續(xù)的 8 個(gè)扇區(qū)組成。
為了幫助我們理解目錄項(xiàng)、索引節(jié)點(diǎn)以及文件數(shù)據(jù)的關(guān)系，畫(huà)了一張示意圖。我們可以對(duì)照著這張圖，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)需要我們注意：
第一，目錄項(xiàng)本身就是一個(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，我曾經(jīng)提到過(guò)，為了協(xié)調(diào)慢速磁盤(pán)與快速 CPU 的性能差異，文 件內(nèi)容會(huì)緩存到頁(yè)緩存 Cache 中。那么，我們也應(yīng)該想到，這些索引節(jié)點(diǎn)自然也會(huì)緩存到內(nèi)存中，加速文件的訪(fǎng)問(wèn)。
第二，磁盤(pán)在執(zhí)行文件系統(tǒng)格式化時(shí)，會(huì)被分成三個(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)。其中，
超級(jí)塊，存儲(chǔ)整個(gè)文件系統(tǒng)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)。
虛擬文件系統(tǒng)
目錄項(xiàng)、索引節(jié)點(diǎn)、邏輯塊以及超級(jí)塊，構(gòu)成了 Linux 文件系統(tǒng)的四大基本要素。不過(guò)， 為了支持各種不同的文件系統(tǒng)，Linux 內(nèi)核在用戶(hù)進(jìn)程和文件系統(tǒng)的中間，又引入了一個(gè)抽象層，也就是虛擬文件系統(tǒng) VFS(Virtual File System)。
VFS 定義了一組所有文件系統(tǒng)都支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口。這樣，用戶(hù)進(jìn)程和內(nèi)核中的其他子系統(tǒng)，只需要跟 VFS 提供的統(tǒng)一接口進(jìn)行交互就可以了，而不需要再關(guān)心底層各種文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
這里，下圖是 Linux 文件系統(tǒng)的架構(gòu)圖，幫我們更好地理解系統(tǒng)調(diào)用、VFS、緩存、文 件系統(tǒng)以及塊存儲(chǔ)之間的關(guān)系。
通過(guò)這張圖，可以看到，在 VFS 的下方，Linux 支持各種各樣的文件系統(tǒng)，如 Ext4、 XFS、NFS 等等。按照存儲(chǔ)位置的不同，這些文件系統(tǒng)可以分為三類(lèi)。
第一類(lèi)是基于磁盤(pán)的文件系統(tǒng)，也就是把數(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(lèi)文件系統(tǒng)。
第二類(lèi)是基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)，也就是我們常說(shuō)的虛擬文件系統(tǒng)。這類(lèi)文件系統(tǒng)，不需要任何磁盤(pán)分配存儲(chǔ)空間，但會(huì)占用內(nèi)存。我們經(jīng)常用到的 /proc 文件系統(tǒng)，其實(shí)就是 一種最常見(jiàn)的虛擬文件系統(tǒng)。此外，/sys 文件系統(tǒng)也屬于這一類(lèi)，主要向用戶(hù)空間導(dǎo)出層次化的內(nèi)核對(duì)象。
第三類(lèi)是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，也就是用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)其他計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)，比如 NFS、 SMB、iSCSI 等。
這些文件系統(tǒng)，要先掛載到 VFS 目錄樹(shù)中的某個(gè)子目錄(稱(chēng)為掛載點(diǎn))，然后才能訪(fǎng)問(wèn)其中的文件。拿第一類(lèi)，也就是基于磁盤(pán)的文件系統(tǒng)為例，在安裝系統(tǒng)時(shí)，要先掛載一個(gè)根 目錄(/)，在根目錄下再把其他文件系統(tǒng)(比如其他的磁盤(pán)分區(qū)、/proc 文件系統(tǒng)、/sys 文件系統(tǒng)、NFS 等)掛載進(jìn)來(lái)。
文件系統(tǒng) I/O
把文件系統(tǒng)掛載到掛載點(diǎn)后，你就能通過(guò)掛載點(diǎn)，再去訪(fǎng)問(wèn)它管理的文件了。VFS 提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的文件訪(fǎng)問(wèn)接口。這些接口以系統(tǒng)調(diào)用的方式，提供給應(yīng)用程序使用。
就拿 cat 命令來(lái)說(shuō)，它首先調(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;最后再調(diào)用 write() ，把文件內(nèi)容輸出到控制臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)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)方式的各種差異，導(dǎo)致 I/O 的分類(lèi)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、阻塞與非阻塞 I/O、同步與異步 I/O 等。接下來(lái)，我們就詳細(xì)看這四種分類(lèi)。
第一種，根據(jù)是否利用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)緩存，可以把文件 I/O 分為緩沖 I/O 與非緩沖 I/O。
緩沖 I/O，是指利用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)緩存來(lái)加速文件的訪(fǎng)問(wèn)，而標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)內(nèi)部再通過(guò)系統(tǒng)調(diào)度訪(fǎng)問(wèn)文件。
非緩沖 I/O，是指直接通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)文件，不再經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)緩存。
注意，這里所說(shuō)的“緩沖”，是指標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)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)才真正輸出，而換行前的內(nèi)容，其實(shí)就是被標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)暫時(shí)緩存了起來(lái)。
無(wú)論緩沖 I/O 還是非緩沖 I/O，它們最終還是要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)文件。我們知道，系統(tǒng)調(diào)用后，還會(huì)通過(guò)頁(yè)緩存，來(lái)減少磁盤(pán)的 I/O 操作。
第二，根據(jù)是否利用操作系統(tǒng)的頁(yè)緩存，可以把文件 I/O 分為直接 I/O 與非直接 I/O。
直接 I/O，是指跳過(guò)操作系統(tǒng)的頁(yè)緩存，直接跟文件系統(tǒng)交互來(lái)訪(fǎng)問(wèn)文件。
非直接 I/O 正好相反，文件讀寫(xiě)時(shí)，先要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的頁(yè)緩存，然后再由內(nèi)核或額外的系統(tǒng)調(diào)用，真正寫(xiě)入磁盤(pán)。
想要實(shí)現(xiàn)直接 I/O，需要你在系統(tǒng)調(diào)用中，指定 O_DIRECT 標(biāo)志。如果沒(méi)有設(shè)置過(guò)，默認(rèn) 的是非直接 I/O。
不過(guò)要注意，直接 I/O、非直接 I/O，本質(zhì)上還是和文件系統(tǒng)交互。如果是在數(shù)據(jù)庫(kù)等場(chǎng)景中，還會(huì)看到，跳過(guò)文件系統(tǒng)讀寫(xiě)磁盤(pán)的情況，也就是我們通常所說(shuō)的裸 I/O。
第三，根據(jù)應(yīng)用程序是否阻塞自身運(yùn)行，可以把文件 I/O 分為阻塞 I/O 和非阻塞 I/O
所謂阻塞 I/O，是指應(yīng)用程序執(zhí)行 I/O 操作后，如果沒(méi)有獲得響應(yīng)，就會(huì)阻塞當(dāng)前線(xiàn)程，自然就不能執(zhí)行其他任務(wù)。
所謂非阻塞 I/O，是指應(yīng)用程序執(zhí)行 I/O 操作后，不會(huì)阻塞當(dāng)前的線(xiàn)程，可以繼續(xù)執(zhí)行其他的任務(wù)，隨后再通過(guò)輪詢(xún)或者事件通知的形式，獲取調(diào)用的結(jié)果。
比方說(shuō)，訪(fǎng)問(wèn)管道或者網(wǎng)絡(luò)套接字時(shí)，設(shè)置 O_NONBLOCK 標(biāo)志，就表示用非阻塞方式訪(fǎng)問(wèn)；而如果不做任何設(shè)置，默認(rèn)的就是阻塞訪(fǎng)問(wèn)。
第四，根據(jù)是否等待響應(yīng)結(jié)果，可以把文件 I/O 分為同步和異步 I/O
所謂同步 I/O，是指應(yīng)用程序執(zhí)行 I/O 操作后，要一直等到整個(gè) I/O 完成后，才能獲得 I/O 響應(yīng)。
所謂異步 I/O，是指應(yīng)用程序執(zhí)行 I/O 操作后，不用等待完成和完成后的響應(yīng)，而是繼續(xù)執(zhí)行就可以。等到這次 I/O 完成后，響應(yīng)會(huì)用事件通知的方式，告訴應(yīng)用程序。
例如，在操作文件時(shí)，如果設(shè)置了 O_SYNC 或者 O_DSYNC 標(biāo)志，就代表同步 I/O。如果設(shè)置了 O_DSYNC，就要等文件數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)后，才能返回；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，才能返回。
再比如，在訪(fǎng)問(wèn)管道或者網(wǎng)絡(luò)套接字時(shí)，設(shè)置了 O_ASYNC 選項(xiàng)后，相應(yīng)的 I/O 就是異步I/O。這樣，內(nèi)核會(huì)再通過(guò) SIGIO 或者 SIGPOLL，來(lái)通知進(jìn)程文件是否可讀寫(xiě)。
我們可能發(fā)現(xiàn)了，這里的好多概念也經(jīng)常出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)編程中。比如非阻塞 I/O，通常會(huì)跟 select/poll 配合，用在網(wǎng)絡(luò)套接字的 I/O 中。
這下我們也應(yīng)該可以理解，“Linux 一切皆文件”的深刻含義。無(wú)論是普通文件和塊設(shè)備、還是網(wǎng)絡(luò)套接字和管道等，它們都通過(guò)統(tǒng)一的 VFS 接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。
性能觀測(cè)
接下來(lái)，打開(kāi)一個(gè)終端，SSH 登錄到服務(wù)器上，我們一起來(lái)探索，如何觀測(cè)文件系統(tǒng)的性能。
容量
對(duì)文件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的一個(gè)問(wèn)題就是空間不足。當(dāng)然，你可能本身就知道，用 df 命 令，就能查看文件系統(tǒng)的磁盤(pán)空間使用情況。比如：
df /dev/vda1
文件系統(tǒng) 1K-塊 已用 可用 已用% 掛載點(diǎn)
/dev/vda1 104846316 28228044 76618272 27% /
可以看到，我的根文件系統(tǒng)只使用了 27% 的空間。這里還要注意，總空間用 1K- 快 的數(shù)量來(lái)表示，你可以給 df 加上 -h 選項(xiàng)，以獲得更好的可讀性：
df -h /dev/vda1
文件系統(tǒng) 容量 已用 可用 已用% 掛載點(diǎn)
/dev/vda1 100G 27G 74G 27% /
不過(guò)有時(shí)候，明明碰到了空間不足的問(wèn)題，可是用 df 查看磁盤(pán)空間后，卻發(fā)現(xiàn)剩余空間還有很多。這是怎么回事呢？
其實(shí)除了文件數(shù)據(jù)，索引節(jié)點(diǎn)也占用磁盤(pán)空間?？梢越o df 命令加上 -i 參數(shù)，查看索引節(jié)點(diǎn)的使用情況，如下所示：
df -h -i /dev/vda1
文件系統(tǒng) Inode 已用(I) 可用(I) 已用(I)% 掛載點(diǎn)
/dev/vda1 50M 162K 50M 1% /
索引節(jié)點(diǎn)的容量，（也就是 Inode 個(gè)數(shù)）是在格式化磁盤(pán)時(shí)設(shè)定好的，一般由格式化工具自動(dòng)生成。當(dāng)發(fā)現(xiàn)索引節(jié)點(diǎn)空間不足，但磁盤(pán)空間充足時(shí)，很可能就是過(guò)多小文件導(dǎo)致的。
所以，一般來(lái)說(shuō)，刪除這些小文件，或者把它們移動(dòng)到索引節(jié)點(diǎn)充足的其他磁盤(pán)中，就可以解決這個(gè)問(wèn)題。
緩存
可以用 free 或 vmstat，來(lái)觀察頁(yè)緩存的大小。free 輸出的 Cache，是頁(yè)緩存和可回收 Slab 緩存的和，你可以從 /proc/meminfo ，直接得到它們的大?。?/span>
cat /proc/meminfo | grep -E "SReclaimable|Cached"
Cached: 2014100 kB
SwapCached: 5316 kB
SReclaimable: 216128 kB
話(huà)說(shuō)回來(lái)，文件系統(tǒng)中的目錄項(xiàng)和索引節(jié)點(diǎn)緩存，又該如何觀察呢？
實(shí)際上，內(nèi)核使用 Slab 機(jī)制，管理目錄項(xiàng)和索引節(jié)點(diǎn)的緩存。/proc/meminfo 只給出了 Slab 的整體大小，具體到每一種 Slab 緩存，還要查看 /proc/slabinfo 這個(gè)文件。
比如，運(yùn)行下面的命令，你就可以得到，所有目錄項(xiàng)和各種文件系統(tǒng)索引節(jié)點(diǎn)的緩存情況：
# name <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab> <pagesperslab> : tunab
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>
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
這個(gè)界面中，dentry 行表示目錄項(xiàng)緩存，inode_cache 行，表示 VFS 索引節(jié)點(diǎn)緩存，其 余的則是各種文件系統(tǒng)的索引節(jié)點(diǎn)緩存。
/proc/slabinfo 的列比較多，具體含義可以查詢(xún) man slabinfo。在實(shí)際性能分析中，我們更常使用 slabtop ，來(lái)找到占用內(nèi)存最多的緩存類(lèi)型。
比如，下面就是運(yùn)行 slabtop 得到的結(jié)果：
# 按下 c 按照緩存大小排序，按下 a 按照活躍對(duì)象數(shù)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
從這個(gè)結(jié)果你可以看到，在我的系統(tǒng)中，目錄項(xiàng)（dentry）和索引節(jié)點(diǎn)（inode_cache）占用了最多的 Slab 緩存。不 過(guò)它們占用的內(nèi)存其實(shí)并不大，加起來(lái)也只有 60MB 左右。
總結(jié)
文件系統(tǒng)，是對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備上的文件，進(jìn)行組織管理的一種機(jī)制。為了支持各類(lèi)不同的文件系統(tǒng)，Linux 在各種文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上，抽象了一層虛擬文件系統(tǒng)(VFS)。
VFS 定義了一組所有文件系統(tǒng)都支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口。這樣，用戶(hù)進(jìn)程和內(nèi)核中的其他子系統(tǒng)，就只需要跟 VFS 提供的統(tǒng)一接口進(jìn)行交互。
為了降低慢速磁盤(pán)對(duì)性能的影響，文件系統(tǒng)又通過(guò)頁(yè)緩存、目錄項(xiàng)緩存以及索引節(jié)點(diǎn)緩存，緩和磁盤(pán)延遲對(duì)應(yīng)用程序的影響。
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