VFS 虚拟文件系统

说明

• 硬盘block：硬盘的最小存储单位是"扇区"（Sector），每个扇区512个字节，操作系统操作硬盘时，为了加快效率，将多个连续扇区合并管理，即一次性操作多个扇区，称为一"块"（block），"块"是文件操作的最小单位，最常见的块大小是4KB，即连续八个sector组成一个block。

数据划分

• linux系统把数据分为以下三部分，分别进行管理。

1. 文件数据（内容数据）
2. 文件信息，也叫元信息，包含文件创建者、创建日期、大小等信息，储存文件元信息的区域就叫做inode，中文译名为"索引节点"。
3. 目录结构（目录树形结构），在linux系统为dentry。

文件数据

• 文件数据比较容易理解，就是文件中保存的数据内容。

文件信息（inode）

• inode包含文件的元信息，有以下内容：

1. 文件的字节数
2. 文件拥有者的User ID
3. 文件的Group ID
4. 文件的读、写、执行权限
5. 文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。
6. 链接数，即有多少文件名指向这个inode
7. 文件数据所在block的编号，使用数组存储，block可以是非连续的，不然文件大小无法动态调整，但是不同文件系统，数组大小可能不同，因此支持的文件大小也被其限制。
8. …

• 可以用stat命令，查看某个文件的inode信息：

stat example.txt

• 但是inode中不包含文件名。

inode 大小

• 由于保存的数据是固定的，因此每个inode节点的大小也是固定的，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。
• 假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。
• 查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量，可以使用df命令。

df -i

• 查看每个inode节点的大小，可以用如下命令：

sudo dumpe2fs -h /dev/hda | grep "Inode size"

• 由于每个文件都必须有一个inode，因此有可能发生inode已经用光，但是硬盘还未存满的情况。这时，就无法在硬盘上创建新文件。

inode 编号

• 每个inode节点都有一个编号，操作系统内部使用编号来操作不同的文件，而不是通过文件名。
• 使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号码：

ls -i example.txt

• inode编号可能就是序号，例如：第一个inode节点，第二个inode节点，因此系统可以通过该编号和inode大小计算出偏移来定位到硬盘上的inode数据。

目录结构（dentry）

• 每个目录对应一个dentry节点。
• 目录文件的结构比较简单，就是子文件和子目录列表；每个目录项，主要由两部分组成：

1. 文件名。
2. 该文件对应的inode号码。

• ls命令只列出目录文件中的所有文件名：

ls /etc

• ls -i命令列出整个目录文件，即文件名和inode号码：

ls -i /etc

• 如果要查看文件的详细信息，就必须根据inode号码，访问inode节点，读取信息。ls -l命令列出文件的详细信息。

ls -l /etc

存储形态

• 文件数据和文件信息都会保存在硬盘上，操作系统会将硬盘分成两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。
• linux并没有使用单独的硬盘区域来保存目录结构数据，因为其将每个目录当做特殊的文件存储，每个目录文件也有对应的inode节点。

内存形态

• 在内存中，inode, dentry和文件数据都会进行缓存。
• 每个文件和目录都需要一个inode和一个dentry空间，无法完全在内存中缓存这些数据，linux采用的是按需创建维护LRU(Least Recently Used)列表，释放掉没使用的dentry项与inode项。

读写流程

• 文件系统如何读写文件的：

1. 根据文件名，通过目录结构的对应关系，找到文件对应的Inode number

• 通过文件名，根据保存在内存中的目录结构（dentry）缓存，进行查找其inode number，如果不在缓存中，则可通过根目录或者当前目录进行遍历访问。

2. 再根据Inode number读取到文件的Inode table

• 再根据inode number从硬盘inode区域中找到对应的inode节点，

3. 再根据Inode table中的Pointer读取到相应的Blocks

• 再根据inode节点中的block块编号，映射为地址偏移，访问其真正的文件内容数据