23 | 基础篇:Linux 文件系统是怎么工作的?
倪朋飞

你好,我是倪朋飞。
通过前面 CPU 和内存模块的学习,我相信,你已经掌握了 CPU 和内存的性能分析以及优化思路。从这一节开始,我们将进入下一个重要模块——文件系统和磁盘的 I/O 性能。
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。
那么,磁盘和文件系统是怎么工作的呢?又有哪些指标可以衡量它们的性能呢?
今天,我就带你先来看看,Linux 文件系统的工作原理。磁盘的工作原理,我们下一节再来学习。
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。
你要记住最重要的一点,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(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,简称为 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。
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- coyang课后题: 这个命令,会不会导致系统的缓存升高呢? --> 会的 如果有影响,又会导致哪种类型的缓存升高呢? --> /xfs_inode/ proc_inode_cache/dentry/inode_cache 实验步骤: 1. 清空缓存:echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches ; sync 2. 执行find : find / -name test 3. 发现更新top 4 项是: OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME 37400 37400 100% 0.94K 2200 17 35200K xfs_inode 36588 36113 98% 0.64K 3049 12 24392K proc_inode_cache 104979 104979 100% 0.19K 4999 21 19996K dentry 18057 18057 100% 0.58K 1389 13 11112K inode_cache find / -name 这个命令是全盘扫描(既包括内存文件系统又包含本地的xfs【我的环境没有mount 网络文件系统】),所以 inode cache & dentry & proc inode cache 会升高。 另外,执行过了一次后再次执行find 就机会没有变化了,执行速度也快了很多,也就是下次的find大部分是依赖cache的结果。
作者回复: 赞
162 - 小成请问老师,除了目录项以外还有哪些地方保存有文件名,下一节讲到目录项是一个内存缓存,那么不会保存文件名到磁盘上面?
作者回复: 目录项是一个缓存,不是持久化存储。目录也是一个文件,这个特殊文件保存了该目录的所有文件名与inode的对应关系
17 - 石维康阻塞 I/O 和非阻塞 I/O的概念和同步和异步 I/O的区别是什么?
作者回复: 这个在答疑里统一回复吧
416 - 伟忠机器上 df 查看占用了 200G,但 du 查看发现只有 90G,看网上的办法用 lsof | grep delete 查看,但没有找到,请问老师,这个可能是什么原因呢?
作者回复: 可能是文件本身已经删除了,但其描述符还被进程占用着,可以查找无效的文件描述符看看
715 - 肘子哥有个疑惑,如果目录项存在内存中是不是意味着内存故障后,目录就无法访问了呢?
作者回复: 不会的,还可以从磁盘的持久化数据中重建
312 - 董文荣课后题: Q:$ find / -name file-name 这个命令,会不会导致系统的缓存升高呢?如果有影响,又会导致哪种类型的缓存升高呢? A:分析 1)、"/"代表文件系统的根目录,目录项已经缓存在cached。(通过下面的测试,怀疑应该只是部分目录项的内容缓存在cache中,待验证) 2)、因为会匹配值“file-name“,会将索引节点读入缓存进行匹配。 因此会导致cached增长。以下是三组测试对比,给出了执行find命令前后,cached变化的对比。 命令之前前后,slabtop的执行前后对比: Active / Total Objects (% used) : 184412 / 240169 (76.8%) Active / Total Size (% used) : 42926.19K / 59199.82K (72.5%) OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME 11088 2313 20% 0.57K 198 56 6336K radix_tree_node 10450 9515 91% 0.58K 190 55 6080K inode_cache 27510 12695 46% 0.19K 655 42 5240K dentry 4710 1003 21% 1.06K 157 30 5024K xfs_inode Active / Total Objects (% used) : 1795399 / 1809652 (99.2%) Active / Total Size (% used) : 1004316.02K / 1007573.47K (99.7%) OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME 708420 708420 100% 1.06K 23614 30 755648K xfs_inode 787878 787878 100% 0.19K 18759 42 150072K dentry free命令在find命令执行前后结果对比: [root@localhost ~]# free -m total used free shared buff/cache available Mem: 1824 200 1534 15 89 1500 Swap: 2047 196 1851 [root@localhost ~]# free -m total used free shared buff/cache available Mem: 1824 480 105 15 1238 1161 Swap: 2047 196 1851 vmstat在find命令执行前后对比: [root@localhost /]# vmstat 2 procs -----------memory---------- ---swap-- -----io---- -system-- ------cpu---- r b swpd free buff cache si so bi bo in cs us sy id wa st 2 0 201208 1570636 136 92168 0 0 5 5 16 19 27 3 70 0 0 0 0 201208 1511788 136 149564 0 0 1702 0 491 599 2 6 90 1 0 0 0 201208 1509428 136 149716 0 0 1106 0 478 801 0 2 98 0 0 注:发表长度限制,省略部分测试显示
作者回复: 原理分析加实践👍
27 - Mr.Strive.Z.H.L老师您好: 关于目录项有一个疑惑: 通过目录项找到inode节点,从而访问具体的文件内容。其中inode和文件数据块都会被持久化,而目录项竟然不会被持久化,只是放在内存中进行缓存。 那么是否在每次开机时,内核都会自动构建文件系统完整的目录项,然后进行缓存??
作者回复: 按需构建很少一部分目录项就可以了,不需要所有的目录项
5 - 成为祝福老师好,请问在slabtop中的inode_cache和ext4_inode_cache有什么区别呢?如果每个文件系统都有inode_cache,整个vfs的有效命名空间都映射到了对应的文件系统,vfs为什么还需要inode_cache呢?
作者回复: 一个是VFS 虚拟文件系统的缓存,另一个则是具体的文件系统实现的缓存。 一个更好理解的例子是:操作系统有文件的缓存,而应用程序还会自己来分配内存缓存数据
5 - DJH请教三个问题。 1. 目录项是维护在内核中的一个内存数据结构,包括文件名。 我的问题是:文件名不是也应该存储在磁盘上么?不可能仅仅存在于内存吧? 2. 缓冲 I/O,是指利用标准库缓存来减速文件的访问... 我的问题时:减速文件访问的原因是什么? 3. 阻塞/非阻塞与同步/非同步的区别是什么?
作者回复: 1. 目录项是表示目录之间的树状关系,而文件名则会存储到数据部分。 2. 不好意思,是个笔误,当然是加速。谢谢指出 3. 这个在文章中有简单的介绍,回来在答疑篇中再展开一些
5 - Geek_9815f1你要记住最重要的一点,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。 老师,上次听你 讲块设备和 文件系统的区别: 说块设备读写是绕过文件系统的。 现在是 块设备也通过统一的文件系统来管理。 这有矛盾吗?
作者回复: 这儿说的是VFS
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