同CPU ，内存一样，磁盘和文件系统的管理，也是操作系统最核心的功能。
。磁盘为系统提供了最基本的持久化存储
。文件系统则在磁盘的基础上，提供了一个用来管理文件的树状结构
索引节点和目录项
文件系统，本身是对存储设备上的文件，进行组织管理的机制。组织方式不同，就会形成不同的文件系统。 在linux中一切皆文件。不仅普通的文件和目录，就连块设备，套接字，管道等，也都要通过统一的文件系统来管理。
为了方便管理，linux文件系统为每个文件都分配两个数据结构，索引节点和目录项。他们主要用来记录文件的元信息和目录结构。
。索引节点，简称inode，用来记录文件的元数据，比如inode编号，文件大小，访问权限，修改日期，数据的位置等。索引节点和文件一一对应，它跟文件内容一样，都会被持久化存储到磁盘中。所以记住，索引节点同样占用磁盘空间。 。目录项，简称为dentry，用来记录文件的名字，索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项，就构成了文件系统的目录结构，不过，不同于索引节点，目录项是由内核维护的一个内存数据结构，所以通常也被叫做目录项缓存。
换句话说，索引节点时每个文件系统的唯一标志，而目录项维护的正是文件系统的树状结构。目录项和索引节点的关系是多对一，可以简单理解为，一个文件可以有多个别名。
举个例子，通过硬链接为文件创建的别名，就会对应不同的目录项，不过这些目录项本质上还是链接同一个文件，所以，它们的索引节点相同。 索引节点和目录项纪录了文件的元数据，以及文件间的目录关系。
实际上，磁盘读写的最小单位是扇区，然而扇区只有512B大小，如果每次读写这么小的单位，效率一定很低。所以，文件系统又把连续的扇区组成了逻辑块，然后每次都以逻辑块为最小单元，来管理数据。常见的逻辑块大小为4KB，也就是连续的8个扇区组成。
不过，要注意：
第一，目录项本身就是内存缓存，而所以节点则是存储在磁盘中的数据。在Buffer和Cache原理中，为了协调慢速磁盘与快速cpu的性能差异，文件内容会缓存到页缓存Cache中那么，这些索引节点自然也会缓存到内存中，加速文件的访问。
第二，磁盘在执行文件系统格式化时，会被分成三个存储区域，超级块，索引节点区和数据块区。其中，
。超级块，存储整个文件系统的状态
。索引节点区，用来存储索引节点
。数据块区，则用来存储文件数据
虚拟文件系统
目录项，索引节点，逻辑块以及超级块，构成了linux文件系统的四大基本要素，不过，为了支持各种不同的文件系统，linux内核在用户进程和文件系统的中间，又引入了一个抽象层，也就是虚拟文件系统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。这样，用户进程和内核中的其中子系统，只需要跟VFS提供的统一接口进行交互就可以了，而不需要关心底层各种文件系统的实现细节。
在VFS的下方，linux支持各种各样的文件系统，如Ext4，XFS，NFS等等。按照存储位置的不同，这些文件系统可以分为三类。
。第一类是基于磁盘的文件系统，也就是把数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中。常见的Ext4，XFS，OverlayFS等，都是 这类文件系统。
。第二类是基于内存的文件系统，也就是我们常说的虚拟文件系统。这类文件系统，不需要任何磁盘分配存储空间，但会占用内存。我们经常用到的/proc文件系统，其实就是一种常见的虚拟文件系统，此外，/sys文件系统也属于这一类，主要向用户空间导出层次化的内核对象。 。第三类是网络文件系统，也就是用来访问其他计算机数据的文件系统，比如NFS，SMB ，isci等。
这些文件系统，要先挂载到VFS目录树中的某个子目录（称为挂载点），然后才能访问其中的文件。拿第一类，也就是基于磁盘的文件系统为例，在安装系统时，要先挂载一个根目录/ 。在根目录下再把其他文件系统（比如其他的磁盘分区，/proc文件系统，/sys文件系统，NFS等）挂载进来。
文件系统I/O
把文件系统挂载到挂载点后，就能通过挂载点，再去访问它管理的文件了。VFS提供了一组标准的文件访问接口。这些接口以系统调用的方式，提供给应用程序使用。
就拿cat命令来说，它首先调用open(),打开一个文件；然后调用read()，读取文件的内容；最后再调用write()，把文件内容输出到控制台的标准输出中。
文件读写方式的各种差异，导致I/O的分类多种多样。最常见的有，缓冲与非缓冲I/O， 直接与非直接I/O，阻塞与非阻塞I/O，同步与异步I/O等。
第一种，根据是否利用标准库缓存，可以把文件I/O分为缓冲I/O与非缓冲I/O。
。缓存I/O，是指利用标准库缓存来加速文件的访问，而标准库内部再通过系统调度访问文件。
。非缓冲I/O，是指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存
注意，这里所说的“缓存”，是指标准库内部实现的缓存。比方说，你可能见到过，很多程序遇到换行时才真正输出，而换行前的内容，其实就是被标准库暂时缓存了起来。
无论缓冲 I/O还是非缓冲I/O，他们最终还是要经过系统调用来访问文件。，系统调用后，还是会通过页缓存，来减少磁盘的I/O操作。
第二，根据是否利用操作系统的页缓存，可以把I/O分为直接I/O与非直接I/O。
。直接I/O，是指跳过操作系统的页缓存，直接跟文件系统交互来访问文件。非直接I/O正好相反，文件读写时，先要经过系统的页缓存，然后再由内核或额外的系统调用，真正写入磁盘。
想要实现直接I/O，需要在系统调用中，指定O_DIRECT标志。如果没有设置过，默认的是非直接I/O 不过要注意，直接I/O，非直接I/O，本质上还是和文件系统交互。如果是在数据库等场景中，还可以看到，跳过文件系统读写磁盘的情况，也就是我们通常所说的裸IO
第三，根据应用程序是否阻塞自身运行，可以把文件I/O分为阻塞和非阻塞I/O：
。所谓阻塞I/O，是指应用程序执行I/O操作后，如果没有获得响应，就会阻塞当前线程，自然就不能执 行其他任务。
。所谓非阻塞I/O，是指应用程序执行I/O操作后，不会阻塞当前的线程，可以继续执行其他的任务，随后再通过轮询或者事件通知的形式，获取调用的结果。
比方说，访问管道或者网络套接字时，设置O_NONBLOCK标志，就表示用非阻塞方式访问；而如果不做任何设置，默认的就是阻塞访问。
第四，根据是否等待响应结果，可以把文件I/O分为同步和异步I/O：
。所谓同步I/O，是指应用程序执行I/O操作后，要一直等到整个I/O完成后，才能获得I/O响应。
。所谓异步I/O，是指应用程序执行I/O操作后，不用等待完成和完成后的响应，而是继续执行就可以。等到这次I/O完成后，响应会用事件通知的方式，告诉应用程序。
在操作文件系统时，如果设置了O_SYNC或者O_DSYNC标志，就代表同步I/O。如果设置了O_DSYNC，就要等文件数据写入磁盘后，才能返回；而O_SYNC，则是在O_DSYNC基础上，要求文件元数据也要写入磁盘后，才能返回。
再比如，在访问管道或者套接字时，设置了O_ASYBC选项后，相应的I/O就是异步I/O这样，内核会再通过SIGIO或者SIGPOLL，来通知进程文件是否可读写。
“linux一切皆文件”的深刻含义。无论是普通文件和块设备，还是网络套接字和管道等，它们都通过统一的VFS接口来访问。
总结： 文件系统，是对存储块设备上的文件，进行组织管理的一种机制。为了支持各类不同的文件系统，linu在各种文件系统实现上，抽象了一层虚拟文件系统（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。这样，用户进程和内核中的其他子系统，就只需要跟VFS提供的统一接口进行交互。
为了降低慢速磁盘对性能的影响，文件系统又通过页缓存，目录缓存以及索引节点缓存，缓和磁盘延迟对应用程序的影响。
