说说IO（四）- 文件系统

LinuxCache数据结构Oraclememcached

文件系统各有不同，其最主要的目标就是解决磁盘空间的管理问题，同时提供高效性、安全性。如果在分布式环境下，则有相应的分布式文件系统。Linux上有ext系列，Windows上有Fat和NTFS。如图为一个linux下文件系统的结构。

其中VFS（Virtual File System）是Linux Kernel文件系统的一个模块，简单看就是一个Adapter，对下屏蔽了下层不同文件系统之间的差异，对上为操作系统提供了统一的接口.

中间部分为各个不同文件系统的实现。

再往下是Buffer Cache和Driver。

文件系统的结构

各种文件系统实现方式不同，因此性能、管理性、可靠性等也有所不同。下面为Linux Ext2（Ext3）的一个大致文件系统的结构。

Boot Block存放了引导程序。

Super Block存放了整个文件系统的一些全局参数，如：卷名、状态、块大小、块总数。他在文件系统被mount时读入内存，在umount时被释放。

上图描述了Ext2文件系统中很重要的三个数据结构和他们之间的关系。

Inode：Inode是文件系统中最重要的一个结构。如图，他里面记录了文件相关的所有信息，也就是我们常说的meta信息。包括：文件类型、权限、所有者、大小、atime等。Inode里面也保存了指向实际文件内容信息的索引。其中这种索引分几类：

    - 直接索引：直接指向实际内容信息，公有12个。因此如果，一个文件系统block size为1k，那么直接索引到的内容最大为12k

    - 间接索引

    - 两级间接索引

    - 三级间接索引

如图：

Directory代表了文件系统中的目录，包括了当前目录中的所有Inode信息。其中每行只有两个信息，一个是文件名，一个是其对应的Inode。需要注意，Directory不是文件系统中的一个特殊结构，他实际上也是一个文件，有自己的Inode，而它的文件内容信息里面，包括了上面看到的那些文件名和Inode的对应关系。如下图：

Data Block即存放文件的时间内容块。Data Block大小必须为磁盘的数据块大小的整数倍，磁盘一般为512字节，因此Data Block一般为1K、2K、4K。

Buffer Cache

Buffer & Cache

虽然Buffer和Cache放在一起了，但是在实际过程中Buffer和Cache是完全不同了。Buffer一般对于写而言，也叫“缓冲区”，缓冲使得多个小的数据块能够合并成一个大数据块，一次性写入；Cache一般对于读而且，也叫“缓存”，避免频繁的磁盘读取。如图为Linux的free命令，其中也是把Buffer和Cache进行区分，这两部分都算在了free的内存。

Buffer Cache

Buffer Cache中的缓存，本质与所有的缓存都是一样，数据结构也是类似，下图为VxSF的一个Buffer Cache结构。

这个数据结构与memcached和Oracle SGA的buffer何等相似。左侧的hash chain完成数据块的寻址，上方的的链表记录了数据块的状态。

Buffer vs Direct I/O

文件系统的Buffer和Cache在某些情况下确实提高了速度，但是反之也会带来一些负面影响。一方面文件系统增加了一个中间层，另外一方面，当Cache使用不当、配置不好或者有些业务无法获取cache带来的好处时，cache则成为了一种负担。

适合Cache的业务：串行的大数据量业务，如：NFS、FTP。

不适合Cache的业务：随机IO的业务。如：Oracle，小文件读取。

块设备、字符设备、裸设备

这几个东西看得很晕，找了一些资料也没有找到很准确的说明。

从硬件设备的角度来看，

    - 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。

    - 字符设备则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。

从操作系统的角度看（对应操作系统的设备文件类型的b和c），

# ls -l /dev/*lv

brw-------1 rootsystem22,2 May 15 2007lv

crw-------2 rootsystem22,2 May 15 2007rlv

    - 块设备能支持缓冲和随机读写。即读取和写入时，可以是任意长度的数据。最小为1byte。对块设备，你可以成功执行下列命令：dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1 count=1。即：在设备中写入一个字节。硬件设备是不支持这样的操作的（最小是512），这个时候，操作系统首先完成一个读取（如1K，操作系统最小的读写单位，为硬件设备支持的数据块的整数倍），再更改这1k上的数据，然后写入设备。

    - 字符设备只能支持固定长度数据的读取和写入，这里的长度就是操作系统能支持的最小读写单位，如1K，所以块设备的缓冲功能，这里就没有了，需要使用者自己来完成。由于读写时不经过任何缓冲区，此时执行dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1 count=1，这个命令将会出错，因为这里的bs（block size）太小，系统无法支持。如果执行dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1024 count=1，则可以成功。这里的block size有OS内核参数决定。

如上，相比之下，字符设备在使用更为直接，而块设备更为灵活。文件系统一般建立在块设备上，而为了追求高性能，使用字符设备则是更好的选择，如Oracle的裸设备使用。

裸设备

裸设备也叫裸分区，就是没有经过格式化、没有文件系统的一块存储空间。可以写入二进制内容，但是内容的格式、其中信息的组织等问题，需要使用它的人来完成。文件系统就是建立在裸设备之上，并完成裸设备空间的管理。

CIO

CIO即并行IO（Concurrent IO）。在文件系统中，当某个文件被多个进程同时访问时，就出现了Inode竞争的问题。一般地，读操作使用的共享锁，即：多个读操作可以并发进行，而写操作使用排他锁。当锁被写进程占用时，其他所有操作均阻塞。因此，当这样的情况出现时，整个应用的性能将会大大降低。如图：

CIO就是为了解决这个问题。而且CIO带来的性能提高直逼裸设备。当文件系统支持CIO并开启CIO时，CIO默认会开启文件系统的Direct IO，即：让IO操作不经过Buffer直接进行底层数据操作。由于不经过数据Buffer，在文件系统层面就无需考虑数据一致性的问题，因此，读写操作可以并行执行。

在最终进行数据存储的时候，所有操作都会串行执行，CIO把这个事情交个了底层的driver。