Linux文件系统是怎么工作的
同CPU、内存一样，磁盘和文件系统的管理，也是os核心功能
- 磁盘为system提供最基本的持久化存储
- 文件系统则在磁盘的基础上，提供一个管理文件的树状结构
索引节点和目录项
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、管道等都是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(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。索引阶段和文件一一对应，它跟文件内容一样，都会持久化到磁盘。所以，索引节点同样占磁盘空间
- 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，索引节点是每个文件的唯一标志，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。
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，那么具体来说，文件数据到底是怎么存储的呢？是不是直接写到磁盘中就好了呢？
实际上，磁盘读写的最小单位是扇区，扇区一把只有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，也就是由连续的8个扇区组成的。
有两点需要注意
- 目录项本身就是一个内存缓存，而索引节点则是存储在磁盘中的数据。在前面的Buffer和Cache原理中，为了协调慢速磁盘和快速CPU的性能差异，文件内容会缓存到页缓存Cache中。这些索引节点自然也会缓存到内存中，加速文件的访问。
- 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，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（Virtual File System).
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，只需要跟VFS提供的统一接口交互就可以了，而不需要关系底层各种文件系统的实现细节。
一张 Linux 文件系统的架构图，帮你更好地理解系统调用、VFS、缓存、文件系统以及块存储之间的关系。
通过这张图，你可以看到，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，其实就是一种最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、iSCSI 等。
文件系统I/O
把文件系统挂载挂载点后，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application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
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
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。 接下来，我们就详细看这四种分类。
第一种，根据是否利用标准库缓存，可以把文件IO分为缓冲和非缓冲IO
- 缓冲IO，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IO，是指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存。
无论缓冲 I/O 还是非缓冲 I/O，它们最终还是要经过系统调用来访问文件。而根据上一节内容，我们知道，系统调用后，还会通过页缓存，来减少磁盘的 I/O 操作。
第二，根据是否利用os的页缓存，分为直接IO和非直接IO
- 直接IO，是指跳过os的页缓存，直接与文件系统交互来访问文件。
- 非直接IO，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，需要你在系统调用中，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，你还会看到，跳过文件系统读写磁盘的情况，也就是我们通常所说的裸 I/O。
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 I/O 和非阻塞 I/O：
- 所谓阻塞I/O，是指app执行IO操作后，如果没有获得相应，就会阻塞当前线程，自然不能执行其他任务。
- 所谓非阻塞IO,是指app执行IO操作后，不会阻塞当前的线程，可以继续执行其他的任务，然后通过轮询或者事件通知的形式，获取调用结果。
举个例子，在操作文件时，如果你设置了 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，在访问管道或者网络套接字时，设置了 O_ASYNC 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。
你可能发现了，这里的好多概念也经常出现在网络编程中。比如非阻塞 I/O，通常会跟 select/poll 配合，用在网络套接字的 I/O 中。
你也应该可以理解，“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。
小结
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。为了支持各类不同的文件系统，Linux 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、目录项缓存以及索引节点缓存，缓和磁盘延迟对应用程序的影响。
