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图 13-8 缓冲区高速缓存的哈希表结构
缓冲区高速缓存分为两个功能部分。第一部分是空闲块缓冲区表，每个系统支持的缓冲区大小对应一个表，系统的空闲块缓冲区在第一次创建和最后被丢弃时在这些表中排队。当前Linux 所支持的缓冲区大小为 512、1024、2048、4096 和 8192 字节。第二部分是高速缓存本身，和 VFS索引节点高速缓存类似，缓冲区高速缓存也是一个具有相似结构的哈希表。哈希索引由块所在的设备标识符以及块编号计算得到。图 13-8是缓冲区高速缓存的哈希表结构。块缓冲区可能在某个空闲缓冲区表中，也有可能在高速缓存中。如果块缓冲区在高速缓存中，则这些缓冲区也在LRU 表中排队。每个缓冲区类型具有一个 LRU 列表，当前 Linux 支持的缓冲区类型见表 13-8。
表 13-8 Linux 的缓冲区类型
当文件系统需要从底层物理设备上读取数据块时，它首先试图从缓冲区高速缓存中读取。如果无法从缓冲区高速缓存中得到数据块，它会从适当大小的空闲缓冲区表中获得一个干净的缓冲区，并将该缓冲区放入缓冲区高速缓存。如果所需的缓冲区当前在高速缓存中，该缓冲区可能是经过更新的，也有可能不是。如果未经更新，或该缓冲区是新的块缓冲区，则文件系统必须请求设备驱动程序读取适当的数据块。
和其他的高速缓存一样，Linux 也需要维护缓冲区高速缓存，以便能够高效运行，并为不同块设备公平分配缓存项。为此，Linux 利用bdfush 内核守护进程完成一些常务工作，而其他一些工作则随着缓存的使用而自动完成。
13.3.1 bdflush 内核守护进程
bdflush内核守护进程是一个简单的内核线程，它可以动态地对系统中具有许多“脏”缓冲区的情形作出响应。它作为系统线程在系统启动时运行，它在系统中注册的进程名称为kflushd。通常情况下，该进程处于休眠状态，在如下情况下，该进程被唤醒：
分配和丢弃缓冲区时，如果系统检测到脏缓冲区的比例达到指定值。默认情况下该值为 60%。
系统急需缓冲区时。
利用 update 命令，可查看并控制许多和该守护进程相关的值：
# update -d
bdflush version 1.4
0: 40 Max fraction of LRU list to examine for dirty blocks
1: 500 Max number of dirty blocks to write each time bdflushactivated
2: 64 Num of clean buffers to be loaded onto free list byrefill_freelist
3: 64 Dirty block threshold for activating bdflush inrefill_freelist
4: 15 Percentage of cache to scan for free clusters
5: 3000 Time for data buffers to age before flushing
6: 500 Time for non-data （dir, bitmap, etc） buffers to age beforeflushing
7: 1884 Time buffer cache load average constant
8: 2 LAV ratio （used to determine threshold for bufferfratricide）.
#
当缓冲区因为写入数据而变脏时，这些缓冲区被链接到 BUF_DIRTY LRU 表中。bdflush会试图将合理数量的脏缓冲区写入磁盘，这一数量默认为 500，该参数也可以通过 update 命令查看和修改。
13.3.2 update 进程
update 不仅是一个命令，而且也是一个守护进程。该守护进程一般在系统初始化时以超级用户身份运行，它周期性地把所有老的脏缓冲区刷新到磁盘上。它通过调用一个类似bdflush 的系统服务完成刷新任务。当缓冲区变脏时，系统以系统时间作标记，表明该缓冲区应当刷新到磁盘。每次 update运行时，它在系统的脏缓冲区中查找已到达刷新时间的缓冲区，每个到达刷新时间的缓冲区都会被写入磁盘。
13.4 /proc 文件系统
和其他文件系统不同的是，/proc文件系统并不是一个真正存在于块设备上的文件系统。这正表明了 Linux虚拟文件系统的强大功能。在系统的初始化过程中，/proc 文件系统在 VFS 中注册。当 VFS需要打开其中的目录或文件时，它利用内核信息建立这些文件和目录。
/proc 文件系统为用户提供了一个查看内核内部工作情况的窗口。
13.5 特殊设备文件
和所有的 UNIX 版本一样，Linux 利用特殊文件代表系统的硬件设备。设备文件实际并不占用任何文件系统的空间，它只是作为访问设备驱动程序的入口。Ext2 文件系统和 VFS文件系统将设备文件作为特殊索引节点实现。设备分为块设备和字符设备两种。设备文件的索引节点中包含对应设备的主设备号和次设备号，分别标识设备类型以及该设备在同类设备中的编号。
13.6 相关系统工具和系统调用
13.6.1 Linux 支持的文件系统
由于 Linux 采用了虚拟文件系统，从理论上讲，Linux 可以支持所有的文件系统。表 13-9 给出了 Linux所支持的重要文件系统。
表 13-9 Linux 支持的重要文件系统
MINIX MINIX 操作系统使用的文件系统，Linux最初使用该文件系统开发。是最老的、也是最可靠的文件系统。但该文件系统的能力受到一定限制，例如，省略了某些时间戳，文件名程度不能超过30 个字符等。
xia MINIX文件系统的更新版，突破了部分限制，但没有新的功能特色。
Ext2 功能强大的 Linux 土生土长的文件系统。
ext Ext2 文件系统的老版本。该文件系统可转换到 Ext2文件系统。
msdos 和 MS-DOS 兼容的 FAT 文件系统。
umsdos 对 Linux 中 msdos文件系统驱动程序的扩展，以便能够支持长文件名、所有者、许可、链接和设备文件。它使得通常的 msdos 文件系统可以当作 Linux固有的文件系统一样使用。
vfat Microsoft 对原 fat文件系统的扩展，可以支持长文件名。
iso9660 该文件系统是标准的 CD-ROM文件系统。对该标准更加流行的 Rock Ridge 扩展允许长文件名的自动支持。
nfs 允许在多台计算机之间共享文件系统的网络文件系统。
hpfs 高性能文件系统，是 OS/2 的文件系统。
ntfs Windows NT 的文件系统。
sysv System V/386、Coherent 和 Xenix的文件系统。
在多个操作系统共存的系统中，有时难免使用除Ext2 之外的文件系统。如果没有这方面的需求，则应当使用 Ext2 文件系统，因为 Ext2 和 VFS之间最接近，从而可获得最高的性能。
13.6.2 建立文件系统
利用 mkfs命令建立，或初始化文件系统。实际上，每个文件系统类型对应有自己单独的初始化命令。mkfs只是最为一个前台的程序而存在，它实际根据要建立的文件系统类型调用相应的命令，文件系统类型由 mkfs 命令的 -t参数指定。其他常用的 mkfs 命令参数如下：
-c 检查坏块并建立相应的坏块清单
-l filename 从指定的文件 filename 中读取初始坏块。
如果要在软盘上建立一个 Ext2 文件系统，可利用如下的命令：
$ fdformat -n /dev/fd0H1440
Double-sided, 80 tracks, 18 sec/track. Total capacity 1440kB.
Formatting ... done
$ badblocks /dev/fd0H1440 1440 > bad-blocks
$ mkfs -t Ext2 -l bad-blocks /dev/fd0H1440
mke2fs 0.5a, 5-Apr-94 for Ext2 FS 0.5, 94/03/10
360 inodes, 1440 blocks
72 blocks （5.00%） reserved for the super user
First data block=1
Block size=1024 （log=0）
Fragment size=1024 （log=0）
1 block group
8192 blocks per group, 8192 fragments per group
360 inodes per group
Writing inodetables: done
Writing superblocks and filesystem accounting information:done
$
上述命令首先利用 fdformat 格式化软盘，然后利用 badblocks 命令检查坏块，并将坏块清单重定向输出到文件bad_blocks 中。最后，利用 mkfs 命令建立文件系统，bad_blocks 文件作为初始的坏块清单。
如果利用 mkfs 命令的 -c 参数，可省略 badblocks 命令。但文件系统建立之后，仍有必要利用 badblocks命令进行检查。
13.6.3 文件系统的挂装和卸装
通常来讲，文件系统的挂装和卸装只能由超级用户完成。挂装命令 mount 可如下使用：
# mount -t vfat -r/dev/hda5 /mnt/dosd
#
上述命令指定了要挂装的文件系统类型，文件系统所在设备以及挂装点，并将文件系统挂装为只读。如果要在系统启动时自动挂装文件系统，则可以在/etc/fstab 文件中指定。有关内容可参见 fstab 手册页。
利用 umount 命令卸装文件系统，该命令只需一个参数，即希望卸挂的设备或挂装点：
# umount /mnt/dosd
#
或
# umount /dev/hda5
#
13.6.4 检查文件系统的完整性
利用 fsck命令可检查文件系统中存在的错误，如果需要，可强制该命令修改错误。一般而言，文件系统经过了大量严格周密的测试，因此在正常使用情况下不会导致错误，除非因为掉电、硬件失效或操作者的失误而导致文件系统被破坏。
对于系统启动时自动挂装的文件系统，系统会自动进行检测，但是在如下情况下，不进行彻底的文件系统检测：存在 /etc/fastboot文件；对 Ext2 文件系统，尚未达到最大挂装计数。其他文件系统则需要手工检测，例如软盘。
fsck 只能检查尚未挂装的文件系统，这主要是因为该命令需要以原始方式读写磁盘。
13.6.5 检查磁盘错误
应当周期性地检查磁盘上的坏块。利用 badblocks命令可完成坏块的检查。badblocks 会报告所有的坏块清单，将该清单传递给 fsck后，可避免文件系统在坏块上保存数据。badblocks 和 fsck 命令的组合使用方法如下例所示：
$ badblocks /dev/fd0H1440 1440 > bad-blocks
$ fsck -t Ext2 -l bad-blocks /dev/fd0H1440
Parallelizing fsck version 0.5a （5-Apr-94）
e2fsck 0.5a, 5-Apr-94 for Ext2 FS 0.5, 94/03/10
Pass 1: Checking inodes, blocks, and sizes
Pass 2: Checking directory structure
Pass 3: Checking directory connectivity
Pass 4: Check reference counts.
Pass 5: Checking group summary information.
/dev/fd0H1440:***** FILE SYSTEM WAS MODIFIED *****
/dev/fd0H1440: 11/360 files, 63/1440 blocks
$
13.6.6 碎片化问题
我们提到过，Ext2 文件系统可通过特定的数据块分配方法来避免磁盘的过分碎片化。但是，经常性的文件删除和创建操作不可避免会产生碎片，对Ext2 文件系统，可利用专用工具进行整理。在 MS-DOS 或 Windows 95 中，有大量工具可用于 FAT 或 VFAT文件系统的整理。在整理文件系统之前，应当首先备份磁盘上的数据，以免在整理过程中发生不可恢复的错误。
13.6.7 其他文件系统工具
df命令可列出所有已挂装文件系统中的空闲空间。
sync 命令用于将缓冲区高速缓存中的脏数据块刷新到磁盘上。
对于Ext2文件系统，还有一些特殊的工具。tune2fs 可调整 Ext2文件系统的参数，其中包括最大挂装计数、两次检查之间的最大时间间隔、为 root 用户保留的数据块个数等；dumpe2fs可显示大部分来自 Ext2 文件系统超块的信息；debugfs 是文件系统调试器，可用来直接访问文件系统中的数据；dump 和restore 分别用于 Ext2 文件系统的备份和还原。
13.6.8 系统调用
表 13-10 简要列出了和文件系统相关的系统调用。标志列中各字母的意义可参见表 10-1 的说明。
表 13-10 相关系统调用
系统调用 说明 标志
bdflush 将脏缓冲区刷新到磁盘 -c
chdir 改变工作目录 m+c
chmod 修改文件属性 m+c
chown 修改文件所有权 m+c
chroot 设置新的根目录 mc
close 关闭文件 m+c
creat 创建文件 m+c
dup 建立某文件描述符的复本 m+c
dup2 复制某文件描述符 m+c
fchdir 改变工作目录
fchmod 见 chmod mc
fchown 修改文件的所有权 mc
fclose 关闭文件 m+!c
fcntl 文件/描述符控制 m+c
flock 修改文件锁定 m!c
fpathconf 获取文件信息 m+!c
fread 读取二进制文件流数据 m+!c
fstat 获取文件状态 m+c
fstatfs 获取文件系统状态 mc
fsync 将文件高速缓存写入磁盘 mc
ftime 获取自1970.1.1以来的时区＋秒数 m!c
ftruncate 修改文件大小 mc
fwrite 向文件流中写入二进制数据 m+!c
getdtablesize 获取文件描述符表的大小 m!c
ioctl 操作某个字符设备 mc
ioperm 设置某个 I/O 端口的许可 m-c
iopl 设置所有I/O 端口的许可 m-c
link 建立已有文件的硬链接 m+c
llseek 大文件的 lseek -
lseek 修改某文件描述符的当前位置指针 m+c
lstat 获取文件状态 mc
mkdir 建立目录 m+c
mknod 建立设备 mc
modify_ldt 读取或写入局部描述符表 -
mount 挂装一个文件系统 mc
open 打开一个文件 m+c
pathconf 获取文件的相关信息 m+!c
read 从文件中读取数据 m+c
readv 从文件中读取数据块 m!c
readdir 读取目录 m+c
readlink 获取符号链接的内容 mc
rename 移动/重命名文件 m+c
rmdir 删除某个空目录 m+c
select 进程休眠，直到某个文件描述符上有操作为止。 mc
setfsgid 设置文件系统的组标识符
setfsuid 设置文件系统的用户标识符
setup 初始化设备并安装 root -
stat 获取文件状态 m+c
statfs 获取文件系统状态 mc
symlink 建立文件的符号链接 m+c
sync 内存和磁盘缓冲区之间的同步 mc
sysfs 获取已配置的文件系统信息
truncate 修改文件大小 mc
ulimit 获取/设置文件限制 c!
umask 设置文件的建立掩码 m+c
umount 卸挂文件系统 mc
unlink 空闲时删除文件 m+c
utime 修改索引节点的时间项 m+c
write 向文件写入数据 m+c
writev 向文件写入数据块 m!c