文件系统知识内容详解

• 文件系统的基本组成

  • 文件系统是操作系统中负责管理持久数据的子系统

  • 负责把用户的文件存到磁盘硬件中，因为即使计算机断电了，磁盘里的数据并不会丢失，所以可以持久化的保存文件。

  • 文件系统的基本数据单位是文件，它的目的是对磁盘上的文件进行组织管理，那组织的方式不同，就会形成不同的文件系统。

  • Linux 文件系统会为每个文件分配两个数据结构：索引节点（index node）和目录项（directory entry），它们主要用来记录文件的元信息和目录层次结构。

    • 索引节点，用来记录文件的元信息，索引节点是文件的唯一标识，它们之间一一对应，也同样都会被存储在硬盘中，所以索引节点同样占用磁盘空间。

    • 目录项，用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的层级关联关系。目录项是由内核维护的一个数据结构，不存放于磁盘，而是缓存在内存。

  • 索引节点唯一标识一个文件，而目录项记录着文件的名字，所以目录项和索引节点的关系是多对一

  • 目录也是文件，也是用索引节点唯一标识，和普通文件不同的是，普通文件在磁盘里面保存的是文件数据，而目录文件在磁盘里面保存子目录或文件。

  • 目录项和目录是一个东西吗？

    • 不是一个东西

    • 目录是个文件，持久化存储在磁盘，而目录项是内核一个数据结构，缓存在内存。

    • 内核会把已经读过的目录用目录项这个数据结构缓存在内存，下次再次读到相同的目录时，只需从内存读就可以，大大提高了文件系统的效率。

    • 目录项这个数据结构不只是表示目录，也是可以表示文件的。

  • 那文件数据是如何存储在磁盘的呢？

    • 磁盘读写的最小单位是扇区，扇区的大小只有 512B 大小，如果每次读写都以这么小为单位，那这读写的效率会非常低。

    • 文件系统把多个扇区组成了一个逻辑块，每次读写的最小单位就是逻辑块（数据块），Linux 中的逻辑块大小为 4KB，也就是一次性读写 8 个扇区，这将大大提高了磁盘的读写的效率。

    • 索引节点是存储在硬盘上的数据，那么为了加速文件的访问，通常会把索引节点加载到内存中。

    • 磁盘进行格式化的时候，会被分成三个存储区域，分别是超级块、索引节点区和数据块区。

      • 超级块，用来存储文件系统的详细信息，比如块个数、块大小、空闲块等等。

      • 索引节点区，用来存储索引节点；

      • 数据块区，用来存储文件或目录数据

    • 加载进内存的时机是不同的：

      • 超级块：当文件系统挂载时进入内存；

      • 索引节点区：当文件被访问时进入内存

• 虚拟文件系统

  • 操作系统希望对用户提供一个统一的接口

  • 用户层与文件系统层引入了中间层，这个中间层就称为虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）

  • VFS 定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口

  • 根据存储位置的不同，可以把文件系统分为三类：

    • 磁盘的文件系统，它是直接把数据存储在磁盘中，比如 Ext 2/3/4、XFS 等都是这类文件系统。

    • 内存的文件系统，这类文件系统的数据不是存储在硬盘的，而是占用内存空间，我们经常用到的 /proc 和 /sys 文件系统都属于这