和 CPU、內存相同，磁盤和文件體系的辦理，也是操作體系最核心的功能。

磁盤為體系供給了最基本的持久化存儲。
文件體系則在磁盤的基礎上，供給了一個用來辦理文件的樹狀結構。
那么，磁盤和文件體系是怎么作業的呢?又有哪些目標能夠衡量它們的功能呢？

索引節點和目錄項
文件體系，本身是對存儲設備上的文件，進行安排辦理的機制。安排方法不同，就會構成不同的文件體系。

咱們要記住最重要的一點，在 Linux 中一切皆文件。不只普通的文件和目錄，就連塊設備、 套接字、管道等，也都要經過一致的文件體系來辦理。

為了方便辦理，Linux 文件體系為每個文件都分配兩個數據結構，索引節點(index node)和目錄項(directory entry)。它們首要用來記載文件的元信息和目錄結構。

索引節點，簡稱為 inode，用來記載文件的元數據，比方 inode 編號、文件巨細、拜訪 權限、修正日期、數據的位置等。索引節點和文件一一對應，它跟文件內容相同，都會 被持久化存儲到磁盤中。所以記住，索引節點同樣占用磁盤空間。
目錄項，簡稱為 dentry，用來記載文件的名字、索引節點指針以及與其他目錄項的相關 聯系。多個相關的目錄項，就構成了文件體系的目錄結構。不過，不同于索引節點，目錄項是由內核保護的一個內存數據結構，所以一般也被叫做目錄項緩存。
換句話說，索引節點是每個文件的唯一標志，而目錄項保護的正是文件體系的樹狀結構。目錄項和索引節點的聯系是多對一，你能夠簡單了解為，一個文件能夠有多個別號。

舉個比方，經過硬鏈接為文件創建的別號，就會對應不同的目錄項，不過這些目錄項本質上仍是鏈接同一個文件，所以，它們的索引節點相同。

索引節點和目錄項紀錄了文件的元數據，以及文件間的目錄聯系，那么具體來說，文件數據到底是怎么存儲的呢？是不是直接寫到磁盤中就好了呢？

實際上，磁盤讀寫的最小單位是扇區，然而扇區只要 512B 巨細，假如每次都讀寫這么小的單位，功率必定很低。所以，文件體系又把接連的扇區組成了邏輯塊，然后每次都以邏 輯塊為最小單元，來辦理數據。常見的邏輯塊巨細為 4KB，也便是由接連的 8 個扇區組成。

為了協助咱們了解目錄項、索引節點以及文件數據的聯系，畫了一張示意圖。咱們能夠對照著這張圖，來回憶剛剛講過的內容，把知識和細節串聯起來。



不過，這里有兩點需要咱們注意：

榜首，目錄項本身便是一個內存緩存，而索引節點則是存儲在磁盤中的數據。在前面的 Buffer 和 Cache 原理中，我從前提到過，為了協調慢速磁盤與快速 CPU 的功能差異，文 件內容會緩存到頁緩存 Cache 中。那么，咱們也應該想到，這些索引節點天然也會緩存到內存中，加快文件的拜訪。

第二，磁盤在履行文件體系格式化時，會被分紅三個存儲區域，超級塊、索引節點區和數

據塊區。其間，

超級塊，存儲整個文件體系的狀態。

索引節點區，用來存儲索引節點。

數據塊區，則用來存儲文件數據。

虛擬文件體系
目錄項、索引節點、邏輯塊以及超級塊，構成了 Linux 文件體系的四大基本要素。不過， 為了支撐各種不同的文件體系，Linux 內核在用戶進程和文件體系的中心，又引入了一個籠統層，也便是虛擬文件體系 VFS(Virtual File System)。

VFS 定義了一組一切文件體系都支撐的數據結構和規范接口。這樣，用戶進程和內核中的其他子體系，只需要跟 VFS 供給的一致接口進行交互就能夠了，而不需要再關心底層各種文件體系的完結細節。

這里，下圖是 Linux 文件體系的架構圖，幫咱們更好地了解體系調用、VFS、緩存、文 件體系以及塊存儲之間的聯系。



經過這張圖，能夠看到，在 VFS 的下方，Linux 支撐各種各樣的文件體系，如 Ext4、 XFS、NFS 等等。依照存儲位置的不同，這些文件體系能夠分為三類。

榜首類是依據磁盤的文件體系，也便是把數據直接存儲在計算機本地掛載的磁盤中。常見的 Ext4、XFS、OverlayFS 等，都是這類文件體系。

第二類是依據內存的文件體系，也便是咱們常說的虛擬文件體系。這類文件體系，不需要任何磁盤分配存儲空間，但會占用內存。咱們經常用到的 /proc 文件體系，其實便是 一種最常見的虛擬文件體系。此外，/sys 文件體系也歸于這一類，首要向用戶空間導出層次化的內核目標。

第三類是網絡文件體系，也便是用來拜訪其他計算機數據的文件體系，比方 NFS、 SMB、iSCSI 等。

這些文件體系，要先掛載到 VFS 目錄樹中的某個子目錄(稱為掛載點)，然后才干拜訪其間的文件。拿榜首類，也便是依據磁盤的文件體系為例，在裝置體系時，要先掛載一個根 目錄(/)，在根目錄下再把其他文件體系(比方其他的磁盤分區、/proc 文件體系、/sys 文件體系、NFS 等)掛載進來。

文件體系 I/O
把文件體系掛載到掛載點后，你就能經過掛載點，再去拜訪它辦理的文件了。VFS 供給了一組規范的文件拜訪接口。這些接口以體系調用的方法，供給給應用程序運用。

就拿 cat 命令來說，它首要調用 open() ，打開一個文件;然后調用 read() ，讀取文件的內容;最終再調用 write() ，把文件內容輸出到控制臺的規范輸出中:

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);
文件讀寫方法的各種差異，導致 I/O 的分類多種多樣。最常見的有，緩沖與非緩沖 I/O、 直接與非直接 I/O、堵塞與非堵塞 I/O、同步與異步 I/O 等。 接下來，咱們就詳細看這四種分類。

榜首種，依據是否使用規范庫緩存，能夠把文件 I/O 分為緩沖 I/O 與非緩沖 I/O。

緩沖 I/O，是指使用規范庫緩存來加快文件的拜訪，而規范庫內部再經過體系調度拜訪文件。

非緩沖 I/O，是指直接經過體系調用來拜訪文件，不再經過規范庫緩存。

注意，這里所說的“緩沖”，是目規范庫內部完結的緩存。比方說，你可能見到過，很多程序遇到換行時才真實輸出，而換行前的內容，其實便是被規范庫暫時緩存了起來。

無論緩沖 I/O 還對錯緩沖 I/O，它們最終仍是要經過體系調用來拜訪文件。咱們知道，體系調用后，還會經過頁緩存，來削減磁盤的 I/O 操作。

第二，依據是否使用操作體系的頁緩存，能夠把文件 I/O 分為直接 I/O 與非直接 I/O。

直接 I/O，是指越過操作體系的頁緩存，直接跟文件體系交互來拜訪文件。

非直接 I/O 正好相反，文件讀寫時，先要經過體系的頁緩存，然后再由內核或額外的體系調用，真實寫入磁盤。

想要完結直接 I/O，需要你在體系調用中，指定 O_DIRECT 標志。假如沒有設置過，默許 的對錯直接 I/O。

不過要注意，直接 I/O、非直接 I/O，本質上仍是和文件體系交互。假如是在數據庫等場景中，還會看到，越過文件體系讀寫磁盤的狀況，也便是咱們一般所說的裸 I/O。

第三，依據應用程序是否堵塞本身運轉，能夠把文件 I/O 分為堵塞 I/O 和非堵塞 I/O

所謂堵塞 I/O，是指應用程序履行 I/O 操作后，假如沒有取得呼應，就會堵塞當前線程，天然就不能履行其他任務。

所謂非堵塞 I/O，是指應用程序履行 I/O 操作后，不會堵塞當前的線程，能夠持續履行其他的任務，隨后再經過輪詢或許事情告知的方法，獲取調用的結果。

比方說，拜訪管道或許網絡套接字時，設置 O_NONBLOCK 標志，就表明用非堵塞方法拜訪；而假如不做任何設置，默許的便是堵塞拜訪。

第四，依據是否等待呼應結果，能夠把文件 I/O 分為同步和異步 I/O

所謂同步 I/O，是指應用程序履行 I/O 操作后，要一向比及整個 I/O 完結后，才干取得 I/O 呼應。

所謂異步 I/O，是指應用程序履行 I/O 操作后，不必等待完結和完結后的呼應，而是持續履行就能夠。比及這次 I/O 完結后，呼應會用事情告知的方法，告知應用程序。

例如，在操作文件時，假如設置了 O_SYNC 或許 O_DSYNC 標志，就代表同步 I/O。假如設置了 O_DSYNC，就要等文件數據寫入磁盤后，才干返回；而 O_SYNC，則是在 O_DSYNC 基礎上，要求文件元數據也要寫入磁盤后，才干返回。

再比方，在拜訪管道或許網絡套接字時，設置了 O_ASYNC 選項后，相應的 I/O 便是異步I/O。這樣，內核會再經過 SIGIO 或許 SIGPOLL，來告知進程文件是否可讀寫。

咱們可能發現了，這里的很多概念也經常出現在網絡編程中。比方非堵塞 I/O，一般會跟 select/poll 配合，用在網絡套接字的 I/O 中。

這下咱們也應該能夠了解，“Linux 一切皆文件”的深刻含義。無論是普通文件和塊設備、仍是網絡套接字和管道等，它們都經過一致的 VFS 接口來拜訪。