【Linux系統】文件系統（2）——文件讀取過程

前言

在前面的文章【Linux系統】文件系統（1）——磁盤的基本知識中，主要對存儲文件的磁盤的一些基礎知識進行了介紹。對於Linux系統來講，一切的數據都起源於磁盤中存儲的文件。Linux文件系統的結構及其在磁盤中是如何存儲的？操做系統是怎樣找到這些文件進行讀取的？這一章主要圍繞這幾個問題進行介紹（以Ext2文件系統（傳統的linux文件系統）爲例）。

Linux系統目錄樹

linux文件系統全部文件和目錄都是由根目錄開始的，以樹的形式展開，以下圖所示：

根據FHS的基本定義，根目錄下面的各個目錄（如usr，var）基本上都有其特定的意義，在此很少作介紹。重點說一下根目錄'/'的做用和意義：

• 其餘全部目錄都是由根目錄衍生出來的。
• 根目錄中包含了開機軟件、系統內核文件、函數庫、文件系統修復程序等。

所以，根目錄（/）所在的分區應該越小越好，應用程序所安裝的軟件最好不要與根目錄存放在同一個分區。根目錄越小，系統性能會更好，根目錄所在的文件系統也較不容易出現問題。

文件（目錄）存儲方式

linux中，磁盤（硬盤）上的存儲劃分以下圖所示：

• MBR： 主引導分區。
• 自舉塊（引導分區Boot Sector）：分區中文件系統自身引導程序存放的地方。
• 超級塊（Super block）： 記錄整個文件系統相關的信息的地方，它記錄的信息主要有：block與inode的總量、使用量、剩餘量，文件系統的掛載時間，最近一次寫入數據的時間等。
• 柱面組（塊組） 每一個柱面爲一個柱面組（組號與柱面號一致），一個分區包含多個柱面。
• 配置信息：不詳。
• i節點位圖（inode bitmap）：每一個inode結點對應位圖中的一個位（這樣一個字節可表示8個inode的使用狀況），每一個位值爲0或1，表示該位所處下標對應的inode有沒有被使用。
• 塊位圖（block bitmap）：每一個數據塊或目錄塊都對應着塊位圖中的一個位，位的下標和塊編號一一對應，每一個位的值爲0或1，表示該塊是否已被使用。
• i節點表（數組）（inode table）：每一個文件或者目錄都有對應的一個inode，inode放在inode table中，包括inode的編號及其對應的信息。
• i節點（inode）： 存儲文件相關信息（不包括文件名）。
• 數據塊（data block）： 存儲文件具體內容。
• 目錄塊： 特殊一點的數據塊，存放inode編號--文件（目錄）名。

inode詳解

inode的主要記錄了文件的屬性以及該文件實際數據是放在哪幾號數據塊（或目錄塊）中，具體包含如下信息：

• 文件的訪問模式（r/w/x）
• 文件全部者和組（owner/group）
• 文件大小
• 文件建立或狀態改變的時間（ctime）
• 最近一次的讀取時間（atime）
• 最近修改的時間（mtime）
• 定義文件特性的標誌（flag）
• 文件真正內容指向的數據塊（pointer）

另外，inode的特徵有：

• inode的數量和大小在磁盤格式化的時候就已經固定了，除非再次格式化從新設置，不然不可改變。
• 每一個inode的大小均爲128Bytes。
• 每一個文件僅佔用一個inode。
• 文件系統可以建立（存儲）的文件數量和inode的數量有關，也和磁盤大小（數據塊數量）有關。
• 系統讀取文件時，須要先找到inode，分析inode記錄的權限與用戶是否符合，若符合才能夠開始實際讀取數據塊中的內容。
• 爲了解決inode數量可能不夠用的問題，操做系統將inode記錄block號的區域定義爲12個直接、1個間接、1個雙間接、1個三間接的記錄區。
• 文件IO編程中常說的文件句柄，其實就是inode編號。

文件讀取過程

已讀取文件/var/log/message爲例，講解讀取文件messages時，從磁盤中查找/讀取文件內容的過程。

1. 首先系統經過掛載信息（在超級塊中，位置固定）找到根目錄(/)的inode編號，根目錄對應的inode是固定的（一般爲2號）。
2. 根據根目錄的inode編號（2號），在inode table中找到對應的inode信息，從inode信息中找到存儲根目錄信息的目錄塊編號，根據編號找到數據塊，如圖中標記爲‘/’的方格，該目錄塊存儲的信息如圖中的dentry所示。
3. 從目錄塊中存儲的信息中，找到文件名（目錄名）爲var所對應的inode編號（2667711）。
4. 在inode table中找到編號爲2667711的inode信息，從該inode信息中，找到var目錄存放的數據塊。從var數據塊存儲的信息中，找到log目錄對應的inode編號（267850）。
5. 重複上述步驟，直至找到message文件對應的inode結點，根據inode結點中記錄的message文件內容對應的數據塊，從數據塊中讀取內容。

扇區、塊（簇/數據塊）、頁

在操做系統數據交互過程當中，常常聽到扇區、塊（簇/數據塊）、頁這幾種單位，他們在數據交互過程當中的意義爲：

• 扇區： 磁頭從磁盤中讀取數據的最小單位，即磁頭每次從磁盤中讀取數據，都是一個扇區一個扇區讀的。
• 塊（簇）： 操做系統與磁盤（硬盤）交互的最小數據單元（在linux系統中稱爲塊，在windows系統中稱爲簇）。操做系統從硬盤中拿一塊數據，即完成一次磁盤IO。塊（數據塊）的大小在硬盤格式化時被指定，通常有1K，2K，4K（最經常使用）。若是塊的大小設置爲4K，那麼磁盤要讀取8個扇區以後，纔將數據塊傳給操做系統。另外，數據塊也是DOS下數據存儲的最小單元。例如，若是一個文件的大小爲1K，而塊的大小爲4K，那麼該文件仍是會佔用一個塊，塊中剩下的3K被空閒出來，不能用於存儲其餘數據。所以，設置塊的大小時，須要考慮要存儲文件的大小。
• 頁： 操做系統訪問內存時的最小單元，通常系統頁的大小爲4K（或者更大）。操做系統訪問內存中的數據時，若是發現內存中沒有哪一個頁能夠提供該數據，那麼會發生缺頁，系統經過頁替換（從硬盤中讀取數據）的方式，將數據從硬盤讀取到內存頁中，再返回給調用者。

總的說來，主要就是不一樣系統、設備間數據交互時，使用了不一樣的機制和概念。其中磁盤內部（磁盤驅動程序從磁盤）讀取數據時，以扇區爲單位；操做系統從磁盤讀取數據時，以塊爲單位；操做系統從內存讀取數據時，以頁爲單位。

操做系統對文件存取操做的優化

並不是每次讀、寫文件操做都會真正地從磁盤讀出或寫入，那樣性能難以接受。爲此操做系統使用了一系列機制，提高了文件IO的性能。

緩存

不論是硬盤仍是操做系統，都會對從磁盤片中讀取的數據進行緩存。硬盤中的緩存通常會比較小，如十幾M，操做系統中的緩存則可能大不少。系統會將經常使用的文件數據放到主存儲器的緩衝區，以加速文件系統的讀寫。通常狀況下，只要系統的內存夠用，系統會盡量多的將磁盤中經常使用的文件緩存到內存中，直至內存耗盡（這是正常現象）。好比，若是你發如今電腦上讀取文件的速度達到了2G每秒，那確定不是真的從磁盤讀取的，而是從緩存讀取的。因此要測試磁盤真正的讀數據的速度，須要先清空系統的緩存。

異步處理

當系統加載一個文件到內存後，若是該文件沒有被改動過，則在內存區段的文件數據會被標記爲clean，若是是被改動了，則會標記爲dirty。此時全部的文件操做仍是在內存中進行，並無寫入到磁盤中。系統會不定時的將內存中設置爲dirty的數據寫回到磁盤，以保持磁盤與內存數據的一致性。這個過程是異步的。你也能夠sync命令，將內存中的數強制寫回到硬盤。

另外，要注意的是，在正常關機的狀況下，關機命令會主動調用sync來將內存中的數據寫入到磁盤內，可是若是非正常關機（如斷電、死機），因爲數據沒有來得及寫入到磁盤，所以從新啓動可能會花費很長的時間進行磁盤檢驗，甚至可能致使文件系統的損毀（非磁盤損壞）。

總結

本文讀linux系統文件的讀取過程從裏到外作了較爲詳細的說明，已進入了linux操做系統層面，在下一篇文章中，可能會將這些原理與文件IO系統調用函數進行掛鉤講解，從而完成硬件-系統-應用的完整流程。