Linux 中一切皆文件
四大要素：

  • 目录项
  • 索引节点
  • 逻辑块

  • 超级块

    1、索引节点和目录项

  • 索引节点（inode）：用来记录文件的元数据，比如node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，会被持久化存储到磁盘中，会占用磁盘空间

  • 目录项（dentry）：用来记录文件的名字、索引节点指针以及其他目录项的关联关系。多个关联的目录项，构成文件系统的目录结构。它是由内核维护的一个内存数据结构，也称目录项缓存

索引节点是每个文件的唯一标志，而目录项维护的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。
实际上，磁盘读写的最小单位是 扇区，一个扇区只有 512 B大小。文件系统把连续的扇区组成了逻辑块。每次以逻辑块为最小单元，来管理数据。常见逻辑块大小 4 KB，也就是连续的8个扇区。
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第一，目录项本身一个内存缓存，索引节点是存储到磁盘的。因此文件内存会缓存到页缓存 Cache中，索引节点也会缓存到内存中，便于访问
第二，磁盘在执行文件系统格式化的时候，会被分成三个存储区域

  • 超级块：存储整个文件系统的状态
  • 索引节点区：存储索引节点

  • 数据块区：存储文件数据

    2、虚拟文件系统

    为了支持不同的文件系统，linux 内核在用户进程和文件系统的中间，引入了抽象层，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。用户进程和内核中的其他子系统，只需要跟VFS提供的统一接口进行交互即可。
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    在VFS下方，linux支持各种文件系统，如 Ext4、XFS、NFS 等。按照存储位置不同，这些文件系统分为三类：

  • 基于磁盘的文件系统：数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中。如 Ext4、XFS、OverlayFS

  • 基于内存的文件系统：也就是 虚拟文件系统，如 /proc 文件系统、 /sys 文件系统。
  • 网络文件系统：用来访问其他计算机数据的文件系统，如 NFS、SMB、iSCSI

这些文件系统，要先挂载到 VFS 目录树中的某个子目录（挂载点），然后才能访问其中文件。如第一类，基于磁盘的文件系统，安装系统时，要先挂载一个跟目录（/），在根目录下再挂载其他文件系统（如 /proc、/sys、NFS）。

3、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。
以 cat命令为例，首先调用 open()，打开一个文件，然后调用 read()，读取文件内容，最后调用 write() ，把文件内容输出到控制台

  1. int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode); 
  2. ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); 
  3. ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

1、是否利用标准库缓存

  • 缓冲 I/O：指利用标准库缓存来加速文件的访问，而标准库内存再通过系统调用
  • 非缓冲 I/O：指直接通过系统调用来访问文件，不再经过标准库缓存

2、是否利用操作系统的缓存页

  • 直接 I/O：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：文件读写时，先经过系统的页缓存，然后有内核或额外的系统调用，真正写入磁盘

3、应用程序是否阻塞自身运行

  • 阻塞 I/O ：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
  • 非阻塞 I/O ：指应用程序执行 I/O 操作后，不会阻塞当前线程，可以继续执行其他任务，随后会通过轮询或者事件通知的形式，获取调用结果。

4、是否等待响应结果

  • 同步 I/O ：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

  • 异步 I/O ：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。等这次 I/O 完成后，响应会通过事件通知的方式，告诉应用程序

    4、工具

    1、df

    1. -h 按可读性更强展示 
    2. -i 查看磁盘缓存

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    当发现索引节点空间不足，但磁盘空间充足时，很有可能是过多小文件导致的。

    2、缓存

    1、/proc/meminfo

    只能查看 Slab 的整体大小

    1. cat /proc/meminfo | grep -E "SReclaimable|Cached"

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    2、/proc/slabinfo

    内核使用 Slab 机制，管理目录项和索引节点的缓存。
    要查看具体的每一种 Slab 缓存

    1. cat /proc/slabinfo | grep -E '^#|dentry|inode'

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  • dentry行：表示目录项缓存

  • inode_cache 行：表示 VFS索引节点缓存

    3、slabtop

    1. # 按下c按照缓存大小排序，按下a按照活跃对象数排序
    2. slabtop
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