转帖-linux文件系统

2015/09/02 13:39
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什么是文件系统?

首先回答最常见的问题,“什么是文件系统”。文件系统是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制。

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文件系统作为协议

另一种看待文件系统的方式是把它看作一个协议。网络协议(比如 IP)规定了互联网上传输的数据流的意义,同样,文件系统会给出特定存储媒体上数据的意义。


挂载

在 Linux 中将一个文件系统与一个存储设备关联起来的过程称为挂载(mount)。使用 mount 命令将一个文件系统附着到当前文件系统层次结构中(根)。在执行挂载时,要提供文件系统类型、文件系统和一个挂载点。


什么是块设备?

块设备就是以块(比如磁盘扇区)为单位收发数据的设备,它们支持缓冲和随机访问(不必顺序读取块,而是可以在任何时候访问任何块)等特性。块设备包括硬盘、CD-ROM 和 RAM 盘。与块设备相对的是字符设备,字符设备没有可以进行物理寻址的媒体。字符设备包括串行端口和磁带设备,只能逐字符地读取这些设备中的数据。



用户空间包含一些应用程序(例如,文件系统的使用者)和 GNU C 库(glibc),它们为文件系统调用(打开、读取、写和关闭)提供用户接口。系统调用接口的作用就像是交换器,它将系统调用从用户空间发送到内核空间中的适当端点。

VFS 是底层文件系统的主要接口。这个组件导出一组接口,然后将它们抽象到各个文件系统,各个文件系统的行为可能差异很大。有两个针对文件系统对象的缓存(inode 和 dentry)。它们缓存最近使用过的文件系统对象。

注:虚拟文件系统(VFS)是由Sun microsystems公司在定义网络文件系统(NFS)时创造的。它是一种用于网络环境的分布式文件系统,是允许和操作系统使用不同的文件系统实现的接口。虚拟文件系统(VFS)是物理文件系统与服务之间的一个接口层,它对Linux的每个文件系统的所有细节进行抽象,使得不同的文件系统在Linux核心以及系统中运行的其他进程看来,都是相同的。严格说来,VFS并不是一种实际的文件系统。它只存在于内存中,不存在于任何外存空间。VFS在系统启动时建立,在系统关闭时消亡

每个文件系统实现(比如 ext2、JFS 等等)导出一组通用接口,供 VFS 使用。缓冲区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。例如,对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递。这就允许在其中缓存请求,减少访问物理设备的次数,加快访问速度。以最近使用(LRU)列表的形式管理缓冲区缓存。注意,可以使用 sync 命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体(迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序,进而发送到存储设备)。


Linux 以一组通用对象的角度看待所有文件系统。这些对象是超级块(superblock)、inode、dentry 和文件。超级块在每个文件系统的根上,超级块描述和维护文件系统的状态。文件系统中管理的每个对象(文件或目录)在 Linux 中表示为一个 inode。inode 包含管理文件系统中的对象所需的所有元数据(包括可以在对象上执行的操作)。另一组结构称为 dentry,它们用来实现名称和 inode 之间的映射,有一个目录缓存用来保存最近使用的 dentry。dentry 还维护目录和文件之间的关系,从而支持在文件系统中移动。最后,VFS 文件表示一个打开的文件(保存打开的文件的状态,比如写偏移量等等)。


VFS 作为文件系统接口的根层。VFS 记录当前支持的文件系统以及当前挂装的文件系统。

可以使用一组注册函数在 Linux 中动态地添加或删除文件系统。内核保存当前支持的文件系统的列表,可以通过 /proc 文件系统在用户空间中查看这个列表。这个虚拟文件还显示当前与这些文件系统相关联的设备。在 Linux 中添加新文件系统的方法是调用 register_filesystem。这个函数的参数定义一个文件系统结构(file_system_type)的引用,这个结构定义文件系统的名称、一组属性和两个超级块函数。也可以注销文件系统。

在注册新的文件系统时,会把这个文件系统和它的相关信息添加到 file_systems 列表中(见图 2 和 linux/include/linux/mount.h)。这个列表定义可以支持的文件系统。在命令行上输入 cat /proc/filesystems,就可以查看这个列表。



引导块:在文件系统的开头,通常为一个扇区,其中存放引导程序,用于读入并启动操作系统;

超级块:用于记录文件系统的管理信息。特定的文件系统定义了特定的超级块;

inode区(索引节点):一个文件或目录占据一个索引节点。第一个索引节点是该文件系统的根节点。利用根节点,可以把一个文件系统挂在另一个文件系统的非叶节点上;

数据区:用于存放文件数据或者管理数据


文件名扩展

Linux不使用文件名扩展来识别文件的类型。相反,Linux根据文件的头内容来识别其类型。为了提高文件可读性您仍可以使用文件名扩展,但这对 Linux 系统来说没有任何作用。不过,有一些应用程序,比如 Web 服务器,可能使用命名约定来识别文件类型,但这只是特定的应用程序的要求而不是 Linux 系统本身的要求。

Linux通过文件访问权限来判断文件是否为可执行文件。任何一个文件都可以赋予可执行权限,这样程序和脚本的创建者或管理员可以将它们识别为可执行文件。这样做有利于安全。保存到系统上的可执行的文件不能自动执行,这样就可以防止许多脚本病毒。


分区是将一个物理盘分成若干个逻辑盘

每个逻辑盘中必须具有一种文件系统

分区就是将物理盘隔开,文件系统就是将隔开的盘格式成某种类型的文件存储格式


linux文件系统类型有ext2,ext3,ext4,reiserfs,xfs,jfx,nfs



缓冲区缓存 Buffer cache

除了各个文件系统实现(可以在 ./linux/fs 中找到)之外,文件系统层的底部是缓冲区缓存。这个组件跟踪来自文件系统实现和物理设备(通过设备驱动程序)的读写请求。为了提高效率,Linux 对请求进行缓存,避免将所有请求发送到物理设备。缓存中缓存最近使用的缓冲区(页面),这些缓冲区可以快速提供给各个文件系统。



buffer : 作为buffer cache的内存,是块设备的读写缓冲区,更靠近存储设备,或者直接就是disk的缓冲区。 

 

cache: 作为page cache的内存, 文件系统的cache,是memory的缓冲区



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