和 CPU、內存相同，磁盤和文件體系的辦理，也是操作體系最核心的功能。

磁盤為體系供給了最基本的持久化存儲。
文件體系則在磁盤的基礎上，供給了一個用來辦理文件的樹狀結構。
那么，磁盤和文件體系是怎么作業(yè)的呢?又有哪些目標能夠衡量它們的功能呢？

索引節(jié)點和目錄項
文件體系，本身是對存儲設備上的文件，進行安排辦理的機制。安排方法不同，就會構成不同的文件體系。

咱們要記住最重要的一點，在 Linux 中一切皆文件。不只普通的文件和目錄，就連塊設備、 套接字、管道等，也都要經過一致的文件體系來辦理。

為了方便辦理，Linux 文件體系為每個文件都分配兩個數(shù)據(jù)結構，索引節(jié)點(index node)和目錄項(directory entry)。它們首要用來記載文件的元信息和目錄結構。

索引節(jié)點，簡稱為 inode，用來記載文件的元數(shù)據(jù)，比方 inode 編號、文件巨細、拜訪 權限、修正日期、數(shù)據(jù)的位置等。索引節(jié)點和文件一一對應，它跟文件內容相同，都會 被持久化存儲到磁盤中。所以記住，索引節(jié)點同樣占用磁盤空間。
目錄項，簡稱為 dentry，用來記載文件的名字、索引節(jié)點指針以及與其他目錄項的相關 聯(lián)系。多個相關的目錄項，就構成了文件體系的目錄結構。不過，不同于索引節(jié)點，目錄項是由內核保護的一個內存數(shù)據(jù)結構，所以一般也被叫做目錄項緩存。
換句話說，索引節(jié)點是每個文件的唯一標志，而目錄項保護的正是文件體系的樹狀結構。目錄項和索引節(jié)點的聯(lián)系是多對一，你能夠簡單了解為，一個文件能夠有多個別號。

舉個比方，經過硬鏈接為文件創(chuàng)建的別號，就會對應不同的目錄項，不過這些目錄項本質上仍是鏈接同一個文件，所以，它們的索引節(jié)點相同。

索引節(jié)點和目錄項紀錄了文件的元數(shù)據(jù)，以及文件間的目錄聯(lián)系，那么具體來說，文件數(shù)據(jù)到底是怎么存儲的呢？是不是直接寫到磁盤中就好了呢？

實際上，磁盤讀寫的最小單位是扇區(qū)，然而扇區(qū)只要 512B 巨細，假如每次都讀寫這么小的單位，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，來辦理數(shù)據(jù)。常見的邏輯塊巨細為 4KB，也便是由接連的 8 個扇區(qū)組成。

為了協(xié)助咱們了解目錄項、索引節(jié)點以及文件數(shù)據(jù)的聯(lián)系，畫了一張示意圖。咱們能夠對照著這張圖，來回憶剛剛講過的內容，把知識和細節(jié)串聯(lián)起來。



不過，這里有兩點需要咱們注意：

榜首，目錄項本身便是一個內存緩存，而索引節(jié)點則是存儲在磁盤中的數(shù)據(jù)。在前面的 Buffer 和 Cache 原理中，我從前提到過，為了協(xié)調慢速磁盤與快速 CPU 的功能差異，文 件內容會緩存到頁緩存 Cache 中。那么，咱們也應該想到，這些索引節(jié)點天然也會緩存到內存中，加快文件的拜訪。

第二，磁盤在履行文件體系格式化時，會被分紅三個存儲區(qū)域，超級塊、索引節(jié)點區(qū)和數(shù)

據(jù)塊區(qū)。其間，

超級塊，存儲整個文件體系的狀態(tài)。

索引節(jié)點區(qū)，用來存儲索引節(jié)點。

數(shù)據(jù)塊區(qū)，則用來存儲文件數(shù)據(jù)。

虛擬文件體系
目錄項、索引節(jié)點、邏輯塊以及超級塊，構成了 Linux 文件體系的四大基本要素。不過， 為了支撐各種不同的文件體系，Linux 內核在用戶進程和文件體系的中心，又引入了一個籠統(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)結構和規(guī)范接口。這樣，用戶進程和內核中的其他子體系，只需要跟 VFS 供給的一致接口進行交互就能夠了，而不需要再關心底層各種文件體系的完結細節(jié)。

這里，下圖是 Linux 文件體系的架構圖，幫咱們更好地了解體系調用、VFS、緩存、文 件體系以及塊存儲之間的聯(lián)系。



經過這張圖，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)磁盤的文件體系，也便是把數(shù)據(jù)直接存儲在計算機本地掛載的磁盤中。常見的 Ext4、XFS、OverlayFS 等，都是這類文件體系。

第二類是依據(jù)內存的文件體系，也便是咱們常說的虛擬文件體系。這類文件體系，不需要任何磁盤分配存儲空間，但會占用內存。咱們經常用到的 /proc 文件體系，其實便是 一種最常見的虛擬文件體系。此外，/sys 文件體系也歸于這一類，首要向用戶空間導出層次化的內核目標。

第三類是網絡文件體系，也便是用來拜訪其他計算機數(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 目錄樹中的某個子目錄(稱為掛載點)，然后才干拜訪其間的文件。拿榜首類，也便是依據(jù)磁盤的文件體系為例，在裝置體系時，要先掛載一個根 目錄(/)，在根目錄下再把其他文件體系(比方其他的磁盤分區(qū)、/proc 文件體系、/sys 文件體系、NFS 等)掛載進來。

文件體系 I/O
把文件體系掛載到掛載點后，你就能經過掛載點，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。這些接口以體系調用的方法，供給給應用程序運用。

就拿 cat 命令來說，它首要調用 open() ，打開一個文件;然后調用 read() ，讀取文件的內容;最終再調用 write() ，把文件內容輸出到控制臺的規(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);
文件讀寫方法的各種差異，導致 I/O 的分類多種多樣。最常見的有，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，咱們就詳細看這四種分類。

榜首種，依據(jù)是否使用規(guī)范庫緩存，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)范庫緩存來加快文件的拜訪，而規(guī)范庫內部再經過體系調度拜訪文件。

非緩沖 I/O，是指直接經過體系調用來拜訪文件，不再經過規(guī)范庫緩存。

注意，這里所說的“緩沖”，是目規(guī)范庫內部完結的緩存。比方說，你可能見到過，很多程序遇到換行時才真實輸出，而換行前的內容，其實便是被規(guī)范庫暫時緩存了起來。

無論緩沖 I/O 還對錯緩沖 I/O，它們最終仍是要經過體系調用來拜訪文件。咱們知道，體系調用后，還會經過頁緩存，來削減磁盤的 I/O 操作。

第二，依據(jù)是否使用操作體系的頁緩存，能夠把文件 I/O 分為直接 I/O 與非直接 I/O。

直接 I/O，是指越過操作體系的頁緩存，直接跟文件體系交互來拜訪文件。

非直接 I/O 正好相反，文件讀寫時，先要經過體系的頁緩存，然后再由內核或額外的體系調用，真實寫入磁盤。

想要完結直接 I/O，需要你在體系調用中，指定 O_DIRECT 標志。假如沒有設置過，默許 的對錯直接 I/O。

不過要注意，直接 I/O、非直接 I/O，本質上仍是和文件體系交互。假如是在數(shù)據(jù)庫等場景中，還會看到，越過文件體系讀寫磁盤的狀況，也便是咱們一般所說的裸 I/O。

第三，依據(jù)應用程序是否堵塞本身運轉，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，是指應用程序履行 I/O 操作后，假如沒有取得呼應，就會堵塞當前線程，天然就不能履行其他任務。

所謂非堵塞 I/O，是指應用程序履行 I/O 操作后，不會堵塞當前的線程，能夠持續(xù)履行其他的任務，隨后再經過輪詢或許事情告知的方法，獲取調用的結果。

比方說，拜訪管道或許網絡套接字時，設置 O_NONBLOCK 標志，就表明用非堵塞方法拜訪；而假如不做任何設置，默許的便是堵塞拜訪。

第四，依據(jù)是否等待呼應結果，能夠把文件 I/O 分為同步和異步 I/O

所謂同步 I/O，是指應用程序履行 I/O 操作后，要一向比及整個 I/O 完結后，才干取得 I/O 呼應。

所謂異步 I/O，是指應用程序履行 I/O 操作后，不必等待完結和完結后的呼應，而是持續(xù)履行就能夠。比及這次 I/O 完結后，呼應會用事情告知的方法，告知應用程序。

例如，在操作文件時，假如設置了 O_SYNC 或許 O_DSYNC 標志，就代表同步 I/O。假如設置了 O_DSYNC，就要等文件數(shù)據(jù)寫入磁盤后，才干返回；而 O_SYNC，則是在 O_DSYNC 基礎上，要求文件元數(shù)據(jù)也要寫入磁盤后，才干返回。

再比方，在拜訪管道或許網絡套接字時，設置了 O_ASYNC 選項后，相應的 I/O 便是異步I/O。這樣，內核會再經過 SIGIO 或許 SIGPOLL，來告知進程文件是否可讀寫。

咱們可能發(fā)現(xiàn)了，這里的很多概念也經常出現(xiàn)在網絡編程中。比方非堵塞 I/O，一般會跟 select/poll 配合，用在網絡套接字的 I/O 中。

這下咱們也應該能夠了解，“Linux 一切皆文件”的深刻含義。無論是普通文件和塊設備、仍是網絡套接字和管道等，它們都經過一致的 VFS 接口來拜訪。