Linux 文件系統

索引節點和目錄項

文件系統，是對存儲設備上的文件，進行組織管理的機制。組織方式不一樣，就會造成不一樣的文件系統。

Linux 文件系統爲每一個文件都分配兩個數據結構，索引節點（index node）和目錄項（directory entry）。它們主要用來記錄文件的元信息和目錄結構。

• 索引節點，簡稱爲 inode，用來記錄文件的元數據，好比 inode 編號、文件大小、訪問權限、修改日期、數據的位置等。索引節點和文件一一對應，它跟文件內容同樣，都會被持久化存儲到磁盤中。因此記住，索引節點一樣佔用磁盤空間。
• 目錄項，簡稱爲 dentry，用來記錄文件的名字、索引節點指針以及與其餘目錄項的關聯關係。多個關聯的目錄項，就構成了文件系統的目錄結構。不過，不一樣於索引節點，目錄項是由內核維護的一個內存數據結構，因此一般也被叫作目錄項緩存

索引節點是每一個文件的惟一標誌，而目錄項維護的正是文件系統的樹狀結構。

磁盤讀寫的最小單位是扇區，然而扇區只有 512B 大小，若是每次都讀寫這麼小的單位，效率必定很低。因此，文件系統又把連續的扇區組成了邏輯塊，而後每次都以邏輯塊爲最小單元，來管理數據。常見的邏輯塊大小爲 4KB，也就是由連續的 8 個扇區組成。

磁盤在執行文件系統格式化時，會被分紅三個存儲區域，超級塊、索引節點區和數據塊區。其中，

• 超級塊，存儲整個文件系統的狀態。
• 索引節點區，用來存儲索引節點。
• 數據塊區，則用來存儲文件數據。

虛擬文件系統

目錄項、索引節點、邏輯塊以及超級塊，構成了 Linux 文件系統的四大基本要素。

爲了支持各類不一樣的文件系統，Linux 內核在用戶進程和文件系統的中間，又引入了一個抽象層，也就是虛擬文件系統 VFS（Virtual File System）。VFS 定義了一組全部文件系統都支持的數據結構和標準接口。

在 VFS 的下方，Linux 支持各類各樣的文件系統，如 Ext四、XFS、NFS 等等。按照存儲位置的不一樣，這些文件系統能夠分爲三類。

• 第一類是基於磁盤的文件系統，也就是把數據直接存儲在計算機本地掛載的磁盤中。常見的 Ext四、XFS、OverlayFS 等，都是這類文件系統。
• 第二類是基於內存的文件系統，也就是咱們常說的虛擬文件系統。這類文件系統，不須要任何磁盤分配存儲空間，但會佔用內存。咱們常常用到的 /proc 文件系統，其實就是一種最多見的虛擬文件系統。此外，/sys 文件系統也屬於這一類，主要向用戶空間導出層次化的內核對象。
• 第三類是網絡文件系統，也就是用來訪問其餘計算機數據的文件系統，好比 NFS、SMB、iSCSI 等。

這些文件系統，要先掛載到 VFS 目錄樹中的某個子目錄（稱爲掛載點），而後才能訪問其中的文件。拿第一類，也就是基於磁盤的文件系統爲例，在安裝系統時，要先掛載一個根目錄（/），在根目錄下再把其餘文件系統（好比其餘的磁盤分區、/proc 文件系統、/sys 文件系統、NFS 等）掛載進來。

cat 命令來講，它首先調用 open() ，打開一個文件；而後調用 read() ，讀取文件的內容；最後再調用 write() ，把文件內容輸出到控制檯的標準輸出中：

「Linux 一切皆文件」的深入含義。不管是普通文件和塊設備、仍是網絡套接字和管道等，它們都經過統一的 VFS 接口來訪問。

性能觀測

容量

[root@k8s ~]# df -h /dev/vda1
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/vda1        40G   14G   24G  37% /

有時候空間不足是由於索引節點空間不足。
索引節點的容量，（也就是 Inode 個數）是在格式化磁盤時設定好的，通常由格式化工具自動生成。當你發現索引節點空間不足，但磁盤空間充足時，極可能就是過多小文件致使的。

[root@k8s ~]# df -h /dev/vda1 -i
Filesystem     Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
/dev/vda1        2.5M  255K  2.3M   10% /

總結

文件系統，是對存儲設備上的文件，進行組織管理的一種機制。爲了支持各種不一樣的文件系統，Linux 在各類文件系統實現上，抽象了一層虛擬文件系統（VFS）。

VFS 定義了一組全部文件系統都支持的數據結構和標準接口。這樣，用戶進程和內核中的其餘子系統，就只須要跟 VFS 提供的統一接口進行交互。

爲了下降慢速磁盤對性能的影響，文件系統又經過頁緩存、目錄項緩存以及索引節點緩存，緩和磁盤延遲對應用程序的影響。

find / -name 這個命令是全盤掃描（既包括內存文件系統又包含本地的xfs【個人環境沒有mount 網絡文件系統】），因此 inode cache & dentry & proc inode cache 會升高。
另外，執行過了一次後再次執行find 就機會沒有變化了，執行速度也快了不少，也就是下次的find大部分是依賴cache的結果。

學習筆記 整理自極客時間：《Linux性能優化實戰》