Linux文件系统十问---深入理解文件存储方式(rhel6.5，EXT4)

前几天在红黑联盟上看了一篇博客《Linux文件系统十问—深入理解文件存储方式》，上一篇博客简单的了解了一下linux文件系统，所以想自己再深入理解一下这十个问题。
先来看看这十个问题：
1、机械磁盘随机读写时速度非常慢，操作系统是采用什么技巧来提高随机读写的性能的？
2、touch一个新的空文件占用磁盘空间吗？ 占用的话占用多少？
3、新建一个空目录占用磁盘空间吗？占用多少？和新建一个文件相比，哪个占用的更大？
4、你知道文件名是记录在磁盘的什么地方吗？
5、文件名最长多长？受什么制约？
6、文件名太长了会影响系统性能吗？为什么会产生影响？
7、一个目录下最多能建立多少个文件？
8、新建一个内容大小1k的文件，实际会占用多大的磁盘空间？
9、向操作系统发起读取文件2Byte的命令，操作系统实际会读取多少呢？
10、我们使用文件时要怎么样来能提高磁盘IO速度？

一：磁盘构成及分区

1：磁盘的物理结构

先说一下磁盘的物理结构，这里机械硬盘，固态硬盘SSD这里不做讨论。对于管理磁盘，分磁盘面，磁头，磁道，柱面和扇区。

• 磁盘面：一个磁盘是由一叠组成的。
• 磁头(heads)：每个对应一个磁盘面，负责该磁盘面上的数据读写。
• 磁道(track)：每个圆心划分出多个同心圆圈，每个圆圈叫做一个磁道。
• 柱面(cylinders)：所有盘面上的同一位置的磁道组成的立体叫做一个柱面。
• 扇区(sector)：以磁道为单位管理磁盘仍然太大，所以又把每个分出了多个扇区。

如图：

在原文章中笔者用fdisk -l查看了当前系统使用磁盘的物理信息，结果可以磁头数，磁道，扇区数等等。

可以看出他的磁盘有255个heads，也就是说共有255个盘面。3263个cylinders，也就是说每个盘面上都有3263个磁道， 63sectors/track说的是每个磁道上共有63个扇区。命令结果也给出了Sector size的值是512bytes。算一下该磁盘的大小：

　　255盘面 * 3263柱面 * 63扇区 * 每个扇区512bytes = 26839088640byte。
结果是26.8G,和磁盘的总大小相符（至于fdisk给出的详细结果相差了约4M的大小，笔者也没有弄彻底明白，有兴趣的读者可以继续研究）。

　　另外查看了其它两台机器的磁盘情况，发现个有意思的事情。如下图，无论磁盘的容量大或者是小，其磁头数和每磁道扇区数都是不变的，只是磁道变多了而已。
　　

2：分区

分区的话，我们先根据磁盘的物理结构两个方案：

　方案一： 255个盘面，C盘是0-100盘面， D盘是101-200个盘面,……

　方案二：3263个柱面，C盘0-1000个柱面，D盘1001-20001个柱面,……

要想选取两种方案较高效的一个，我们先来看一下磁盘IO时的过程。第一步，首先是磁头径向移动来寻找数据所在的磁道。这部分时间叫寻道时间。第二步，找到目标磁道后通过盘面旋转，将目标扇区移动到磁头的正下方。第三步，向目标扇区读取或者写入数据。到此为止，一次磁盘IO完成，故：

　　单次磁盘IO时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 存取时间。

同一分区的数据经常会一起读取，所以再来看看两种方案，如果使用方案一的话，磁头就需要在多个磁道间不停地跳来跳去，这样磁盘的寻道时间就会翻倍，磁盘性能就会下降。对于方案二的话，磁头只需要在较少量的磁道移动即可，大大降低了寻道时间。

所以，方案二的分区方式可以降低磁盘IO时间中的寻道时间部分，所以所有的操作系统采用的都是方案二，没有用方案一的。

在Linux下使用过fdisk进行分区的话可以注意到以下信息：

这充分证明了操作系统是采用方案二的。

回到开篇提出的问题1，操作系统是采用什么技巧来降低随机读写的性能问题的呢？操作系统通过按磁道对应的柱面划分分区，来降低磁盘IO所花费的的寻道时间 ，进而提高磁盘的读写性能。

二：目录与文件

1：引出问题

将磁盘的基础简单了解，我们正式来看一下linux的文件系统。那么，对于文件系统中我们熟悉目录和文件我们又了解多少呢？先来创建一个空的目录和文件：

我们知道，ls命令第五列显示的是文件占用空间的大小，那么，先来提出几个问题：

• 为什么目录目录占用的空间是4096？
• 为什么空文件占用的空间是0？
• 如果空文件占用的空间是0，那么该文件的文件名，权限等相关属性存在哪里？

2：空文件不占空间？

这里用一下df -i命令。

其实我们可以根据以上命令发现在创建了一个新文件时，消耗掉了一个inode，inode的概念前面博文有讲。

inode的大小可以用dumpe2fs查看：

可以看到一个inode有256bytes大小。

所以，我们可以回答开篇提出的第二个问题，当touch一个新文件时其实是占用磁盘空间的，实际占用是一个inode的大小，inode的大小在文件系统格式化的时候就已经确定。

再来说新建目录，同样，使用df -i命令来查看：

可以看出，新建一个空目录也会占用一个inode。所以，现在开篇的第三个问题也有答案了，新建一个空目录时，占用的空间是1个block+1个inode。

3：空目录的4KB

特地查看了一些目录，发现不管目录里内容的多少，目录所占空间大多都是4K。那么这4K是干什么的呢？

先进入建立的空目录查看：

接着建立两个新的空文件：

空文件不占block，所以，4K还是没什么变化。这时创建更多的文件名长的空文件：

这时，4K就变成了12K。占用了3个block。所以开篇的第四个问题就有了答案，文件名是存在目录所占用的block中的。
所以，第六个问题我们现在也可以回答了，文件名太长对系统性能当然会有影响，因为这可能会导致更多的磁盘IO。如果文件名特别特别长，文件数量相当大的时候就要考虑文件名是否导致目录所占的block太多。占空间大小倒是小事，磁盘便宜，但是你得考虑下在目录下查找文件时操作系统的感受，操作系统可需要用你你提供的文件名进行字符串比较，而且运气不好的话需要将其名下所有block都搞一遍才行啊。（当然了，你的文件名长度不变态，而且数量没有达到十万数量级的话实际上这个开销也不会太大，但是这个开销你还是知道的为好）

来说开篇问题五，文件名最长多长呢？linux系统为了避免程序员不节制地使用长文件名，强加了个限制，不能超过255byte。

开篇问题七，一个目录下能创建多少个文件？其实这个最多是受限与你目录所在分区的inode数量。有一百万个inode，你最多就可以新建一百万个文件。但是，单个目录下文件数量最好不要过万，否则会带来系统性能的问题。

4：文件的block

来做个关于文件的实验，创建一个空目录，然后在其下建立一个空文件，在这个文件里写入一个数字再保存。

8K中有4K是目录的，也就是说系统为一个只有一个数字的文件分配了4K。其实文件的block比较简单的了，不像目录的block里会存很多文件系统的结构体，文件的block里只会保存文件的数据。上面这个实验表明，操作系统分配空间时是以block为最小单位。也就是说只要你的文件数据不为空，操作系统就至少会给你分配一个block来存储，直到你超过了4KB，操作系统再给你分配下一个block。

开篇问题八：新建一个1K大小的文件实际会占用一个block大小的空间。

开篇问题九：文件系统在向磁盘发起IO请求时也是一block size为单位的，向操作系统发起读取文件的2byte，操作系统会一次性读给你1个block大小。因此磁盘的IO很慢。

开篇问题十：使用文件时要怎么样来能提高磁盘IO速度？原理就是尽量将一个文件的block连续一些。这个前面有讲到。如果知道要新建的文件大概有多大，就在创建时给操作系统说一下，将文件的大小预留下来。这样就尽可能的为一个文件分配到连续的block，再读取文件时磁头就会省去很多寻道时间，IO速度就会明显快一些。

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