文件系统是对存储设备上的文件，进行组织管理的一种机制。而linux在各种文件系统实现上，又抽象了一层虚拟文件系统VFS，它定义了一组，所有文件系统都支持的，数据结构和标准接口。 这样，对应用程序来说，只需要跟VFS提供的统一接口交互，而不需要关注文件系统的具体实现；对具体的文件系统来说，只需要按照VFS的标准，就可以无缝支持各种应用程序。 VFS内部又通过目录项，索引节点，逻辑块以及超级块等数据结构，来管理文件。
。目录项，记录了文件的名字，以及文件与其他目录项之间的目录关系。
。索引节点，记录了文件的元数据
。逻辑块，是由连续磁盘扇区构成的最小读写单元，用来存储文件系统
。超级块，用来记录文件系统整体的状态，如索引节点和逻辑块的使用情况等。
其中，目录项是一个内存缓存；而超级块，索引节点和逻辑块，都是存储在磁盘中的持久数据。
磁盘
磁盘是可以持久存储的设备，根据存储介质的不同，常见磁盘可以分为两类：机械磁盘和固态磁盘
第一类，机械磁盘，也称为硬盘驱动器，通常缩写为HDD。机械磁盘主要有盘片和读写磁头组成，数据就存储在盘片的环状磁道中。在读写数据前，需要移动读写磁头，定位到数据所在的磁道，然后才能访问数据。
显然，如果I/O请求刚好连续，那就不需要磁道寻址，自然可以获得最佳性能。这其实就是连续I/O的工作原理。与之相应，当然就是随机I/O，它需要不停地移动磁头，来定位数据位置，所以读写速度就会比较慢。
第二类，固态磁盘，通常缩写为SSD，有固态电子元器件组成。固态磁盘不需要磁道寻址，所以，不管是连续I/O还是随机I/O的性能，都比机械磁盘要好得多。
其实，无论机械磁盘，还是固态磁盘，相同磁盘的随机I/O都要比连续I/O慢很多，原因也很明显。
。对机械硬盘来说，由于随机I/O需要更多的磁头寻址和盘片旋转，它的性能自然要比连续I/O慢
。而对固态硬盘来说，虽然它的随机性能比机械硬盘好很多，但同样存在“先擦除再写入”的限制。随机读写会导致大量的垃圾回收，所以相对应的，随机I/O的性能比起连续I/O来，也还是差了很多。
。此外，连续I/O还可以通过预读的方式，来减少I/O请求的次数，这也是其性能优异的一个原因。很多性能优化的方案，也都会从这个角度出发，来优化I/O性能。
此外，机械磁盘和固态磁盘还分别有一个最小的读写单位。
。机械硬盘的最小读写单位是扇区，一般大小为512字节
。而固态磁盘的最小读写单位是页，通常大小是4KB，8KB等。
如果每次都读写512字节这么小的单位的话，效率很低。所以，文件系统会把连续的扇区或页，组成逻辑块，然后以逻辑块作为最小单元来管理数据。常见的逻辑块的大小是4KB，也就是说，连续8个扇区，或者单独的一个页，都可以组成一个逻辑块。
除了可以按照存储介质来分类，另一个常见的分类方法，是按照接口来分类，比如可以把硬盘分为IDE，SCSI,SAS,SATA,FC等
不同的接口，往往分配不同的设备名称。比如，IDE设备会分配一个hd前缀的设备名，SCSI和SATA设备会分配一个sd前缀的设备名。如果是多块同类型的磁盘，就会按照a，b，c等的字母顺序来编号。
除了磁盘本身的分类外，当你把磁盘接入服务器后，按照不同的使用方式，有可以把他们划分为多种不同的架构。
最简单的，就是直接作为独立磁盘设备来使用。这些磁盘，往往还会根据需要，划分为不同的逻辑分区，每个分区再用数字编号。比如我们前面多次用到的/dev/sda，还可以分成两个分区/dev/sda1和/dev/sda2
另一个比较常用的架构，是把多块磁盘组成一个逻辑磁盘，构成冗余独立磁盘阵列，也就是RAID，从而可以提高数据访问的性能，并且增强数据存储的可靠性。
最后一种架构，是把这些磁盘组合成一个网络存储集群，再通过NFS,SMB，ISCSI等网络存储协议，暴露给服务器使用
其实在linux中，磁盘实际上是作为一个块设备来管理的，也就是以块为单位读写数据，并且支持随机读写。每个块设备都会被赋予两个设备号，分别是主，次设备号。主设备号用在驱动程序中，用来区分设备类型；而次设备号则是用来给多个同类设备编号。
通用块层
为了减小不同块设备的差异带来的影响，linux通过一个统一的通用块层，来管理各种不同的块设备。 通用块层，其实是处在文件系统和磁盘驱动中间的一个块设备抽象层。它主要有两个功能。
。第一个功能跟虚拟文件系统的功能类似。向上，为文件系统和应用程序，提供访问块设备的标准接口；向下，把各种异构的磁盘设备抽象为统一的块设备，并提供统一框架来管理这些设备的驱动程序。
。第二个功能，通用块层还会给文件系统和应用程序发来的I/O请求排队，并通过重新排序，请求合并等方式，提高磁盘读写的效率。
其中，对I/O请求排序的过程，也就是I/O调度。事实上，linux内核支持四种I/O调度算法，分别是NONE,NOOP,CFQ以及DeadLine
第一种NONE，更确切来说，并不能算I/O调度算法，因为它完全不使用任何I/O调度器，对文件系统和应用程序的I/O其实不做任何处理，常用在虚拟机中（此时磁盘I/O调用完全有物理机负责）
第二种NOOP,是最简单的一个I/O调度算法。它实际上是一个先入先出的队列，只做一些最基本的请求合并，常用于SSD磁盘
第三种CFQ，也被称为完全公平调度器，是现在很多发行版的默认I/O调度器，它为每个进程维护了一个I/O调度队列。并按照时间片来均匀分布每个进程的I/O请求 类似于进程CPU调度，CFQ还支持进程I/O的优先级调度，所以它适用于运用大量进程的系统，像是桌面环境，多媒体应用等。
最后一种DeadLine调度算法，分别为读，写请求创建了不同的I/O队列，可以提高机械磁盘的吞吐量，并确保达到最终期限的请求被优先处理。DeadLine调度算法，多用在I/O压力比较重的场景，比如数据库等。
I/O栈
可以把linux存储系统的I/O栈，由上到下分为三个层次，分别是文件系统层，通用块层和设备层。这三个I/O层的关系如下图所示，这其实也是linux存储系统的I/O栈全景图。
根据这种I/O栈的全景图，可以更清楚地理解，存储系统I/O的工作原理。
。文件系统层，包括虚拟文件系统和其他各种文件系统的具体实现。它为上层的应用程序，提供标准的文件访问接口；对下会通过调用块层，来存储和管理磁盘数据。
。调用块层，包扣块设备I/O队列和I/O调度器。它会对文件系统的I/O请求进行排队，再通过重新排序和请求合并，然后才要发送给下一级的设备层。
。设备层，包扣存储设备和相应的驱动程序，负责最终物理设备的I/O操作。
存储系统的I/O，通常是整个系统中最慢的一环。所以，linux通过多种缓存机制来优化I/O效率。
比方说，为了优化文件访问的性能，会使用页缓存，索引节点缓存，目录项缓存等多种缓存机制，以减少对下层块设备的调用。
同样，为了优化块设备的访问效率，会使用缓冲区，来缓存块设备的数据。
通用块层是linux磁盘I/O的核心。向上，它为文件系统和应用程序，提供访问了块设备的标准接口；向下，把各种异构的磁盘设备，抽象为统一的块设备，并会对文件系统和应用程序发来的I/O请求进行重新排序，请求合并等，提高了磁盘访问的效率。
磁盘性能指标
磁盘性能的衡量标准，必须要提到这5个常见指标，也就是我们经常用到的，使用率，饱和度，IOPS，吞吐量以及响应时间等。这5个指标，是衡量磁盘性能的基本指标。
。使用率，是指磁盘处理I/O的时间百分比。过高的使用率（比如超过80%），通常意味着磁盘I/O存在性能瓶颈。
。饱和度，是指磁盘处理I/O的繁忙程度。过高的饱和度，意味着磁盘存在严重的性能瓶颈。当饱和度为100%时，磁盘无法接受新的I/O请求。
。IOPS是指每秒的I/O请求数。
。吞吐量，是指每秒的I/O请求大小
。响应时间，是指I/O请求从发出到收到响应的间隔时间
要注意的是，使用率只考虑有没有I/O，而不考虑I/O的大小。换句话说，当使用率是100%的时候，磁盘依然有可能接受新的I/O请求。
在数据库，大量小文件等这类随机读写比较多的场景中，IOPS更能反映系统的整体性能；而在多媒体等顺序读写较多的场景中，吞吐量才更能反映系统的整体性能。
一般来说，我们在为应用程序的服务器选型时，要先对磁盘的I/O性能进行基准测试，以便可以准确评估，磁盘性能是否可以满足应用程序的需求。
阻塞io，非阻塞io与同步，异步io的区别
根据应用程序是否阻塞自身运行，可以把I/O分为阻塞I/O和非阻塞I/O。
.所谓阻塞I/O，是指应用程序在执行I/O操作后，如果没有获得响应，就会阻塞当前线程，不能执行其他任务。
.所谓非阻塞I/O，是指应用程序在执行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
根据I/O响应的通知方式的不同，可以把文件I/O分为同步I/O和异步I/O。
.所谓同步I/O，是指收到I/O请求后，系统不会立刻响应应用程；等到处理完成，系统才会通过系统调用的方式，告诉应用程序I/O结果
.所谓异步I/O，是指收到I/O请求后，系统会先告诉应用程序I/O请求已经收到，随后再去处理异步处理；等处理完成后，系统再通过事件通知的方式，告诉应用程序结果。
阻塞/非阻塞和同步/异步，其实就是两个不同角度的I/O划分方式。他们描述的对象也不同，阻塞/非阻塞针对的是I/O调用者（即应用程序），而同步/异步针对的是I/O执行者（即系统）
比如在LinuxI/O调用中，
.系统调用read是同步读，所以，在没有得到磁盘数据前，read不会响应应用程序
.而aio_read是异步读，系统收到AIO读请求后不等处理就返回了，而具体的read结果，再通过回调异步通知应用程序
再比如，在网络套接字的接口中，
.使用send()直接向套接字发送数据时，如果套接字没有设置O_NONBLOCK标识，那么send()操作就会一直阻塞，当前线程也没法去做其他事情。
.如果用了epoll，系统会告诉你这个套接字的状态，那就可以用非阻塞的方式使用。当这个套接字不可写的时候，你可以去做其他事情，比如读写其他套接字
