Linux文件系统是怎么工作的?

2023-11-19

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磁盘为系统提供了最基本的持久化存储。

文件系统则在磁盘的基础上,提供了一个用来管理文件的树状结构。

那么,磁盘和文件系统是怎么工作的呢?又有哪些指标可以衡量它们的性能呢?

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。

你要记住最重要的一点,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。

为了方便管理,Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构,索引节点(indexnode)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。

换句话说,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。

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,那么具体来说,文件数据到底是怎么存储的呢?是不是直接写到磁盘中就好了呢?

实际上,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。

为了帮助你理解目录项、索引节点以及文件数据的关系,我画了一张示意图。你可以对照着这张图,来回忆刚刚讲过的内容,把知识和细节串联起来。

不过,这里有两点需要你注意。

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。在前面的Buffer 和 Cache 原理中,我曾经

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