1 文件系统是什么

操作系统中负责管理和存储 文件信息的软件机构称为文件管理系统，简称文件系统。

通常文件系统是用于存储和组织文件的一种机制，便于对文件进行方便的查找与访问。文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配，负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。
它负责为用户建立文件，存入、读出、修改、转储文件，控制文件的存取，当用户不再使用时撤销文件等。

随着文件种类的增多，扩增了更多的文件系统，为了对各种文件系统进行统一的管理与组织。

文件系统的基本数据单位是文件，它主要是对磁盘上面的文件进行组织管理，组织的方式不同，形成的文件系统也会不同。

2 文件系统的组成

在Linux中，一切皆文件，不仅普通的文件和目录，块设备、管道、socket等等，都是由文件系统管理的。在Linux中的文件系统会给每个文件分配两个数据结构：索引节点（index node）和目录项（directory entry），它们都主要是被用来记录文件的元信息和目录层次结构。

• inode，索引节点，用来记录文件的元信息，比如inode编号、文件大小、访问权限、创建时间、修改时间、数据在磁盘的位置等。索引节点是文件的唯一标识，它们之间一一对应，也同样都是被存储在硬盘当中，索引节点也是会占用磁盘的存储空间的。
• dentry，目录项，用来记录文件的名字，索引节点指针以及与其他目录项的层级关联关系。多个目录项关联起来，就会形成目录结构，但是它与索引节点不相同的是，目录项是由内核维护的一个数据结构，不是存放在磁盘中，而是缓存在内存里面。目录项包括文件名和inode节点号。
• inode映射表：inode bitmap：位图：记录着哪些inode使用了，哪些没有使用。
• block映射表：block bitmap：记录着哪些block使用了，哪些没有使用。

其中，目录也是文件，也是用索引节点唯一标识，和普通文件不同的是，普通文件在磁盘里面保存着的是文件数据，而目录文件在磁盘里面保存子目录或者文件。

目录和目录项分别指的是什么？
目录是一个文件，它是被持久化的存储在磁盘里面，而目录项是内核中的一个数据结构，缓存在内存里面。

如果查询目录就会频繁的从磁盘读取，效率会很低，所以内核就会把已经读过的目录用目录项这个数据结构先缓存在内存里面，等到下次读取到相同的目录的时候，就只需要从内存里面去读取，这样就大大提升了文件系统的效率。

3 inode详解

1. inode到底是什么

文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做"扇区"（Sector）。每个扇区储存512字节（相当于0.5KB）。

操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区地读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个"块"（block）。这种由多个扇区组成的"块"，是文件存取的最小单位。"块"的大小，最常见的是4KB，即连续八个 sector组成一个 block。

文件数据都储存在"块"中，那么很显然，我们还必须找到一个地方储存文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做inode，中文译名为"索引节点"。

每一个文件都有对应的inode，里面包含了与该文件有关的一些信息。

2. inode的内容

inode包含文件的元信息，具体来说，

• 文件的字节数
• 文件拥有者的User ID
• 文件的Group ID
• 文件的读、写、执行权限
• 文件的时间戳，共有三个：
  ctime指inode上一次变动的时间
  mtime指文件内容上一次变动的时间
  atime指文件上一次打开的时间。
• 链接数，即有多少文件名指向这个inode
• 文件数据block的位置

可以用stat命令，查看某个文件的inode信息：

[root@dbc-server-554 zabbix]# stat zabbix_svr.bat
  File: ‘zabbix_svr.bat’
  Size: 1284            Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: fd00h/64768d    Inode: 2047802     Links: 1
Access: (0744/-rwxr--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2023-02-13 17:21:32.333045796 +0800
Modify: 2023-02-13 17:21:24.964098992 +0800
Change: 2023-02-13 17:21:24.976098905 +0800
 Birth: -

3. inode的大小

inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。
每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在磁盘格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。

查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量，可以使用df命令；

[root@dbc-server-554 zabbix]# df -i
Filesystem                 Inodes   IUsed     IFree IUse% Mounted on
devtmpfs                   980823     500    980323    1% /dev
tmpfs                      985192       1    985191    1% /dev/shm
tmpfs                      985192     932    984260    1% /run
tmpfs                      985192      16    985176    1% /sys/fs/cgroup
/dev/mapper/centos-root  26214400  783278  25431122    3% /
/dev/mapper/DBCVG-DBCLV 244195328 1615546 242579782    1% /mnt/DBC_Data
/dev/sda2                  524288      31    524257    1% /boot
/dev/sda1                       0       0         0     - /boot/efi
/dev/mapper/centos-home 189169664   11452 189158212    1% /home
tmpfs                      985192       1    985191    1% /run/user/0
tmpfs                      985192       8    985184    1% /run/user/42

4. inode的号码

每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。
Unix/linux系统内部不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。

表面上，用户通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：

首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；
其次，通过inode号码，获取inode信息；
最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号码

[root@dbc-server-554 zabbix]# ls -il
total 24
2047779 -rw-r--r-- 1 root root 8243 Feb 14 17:20 CA_500.xml
2047106 -rw-r--r-- 1 root root 5183 Feb 14 17:17 CA_mediawebhook_441_500.rar
2047802 -rwxr--r-- 1 root root 1284 Feb 13 17:21 zabbix_svr.bat

5. 硬链接

一般情况下，文件名和inode号码是"一一对应"关系，每个inode号码对应一个文件名。但是，Unix/Linux系统允许，多个文件名指向同一个inode号码。这意味着，可以用不同的文件名访问同样的内容；对文件内容进行修改，会影响到所有文件名；但是，删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。这种情况就被称为"硬链接"（hard link）。

ln命令可以创建硬链接：

运行上面这条命令以后，源文件与目标文件的inode号码相同，都指向同一个inode。inode信息中有一项叫做"链接数"，记录指向该inode的文件名总数，这时就会增加1。

6. 软链接

除了硬链接以外，还有一种特殊情况。
文件A和文件B的inode号码虽然不一样，但是文件A的内容是文件B的路径。读取文件A时，系统会自动将访问者导向文件B。因此，无论打开哪一个文件，最终读取的都是文件B。这时，文件A就称为文件B的"软链接"（soft link）或者"符号链接（symbolic link）。
这意味着，文件A依赖于文件B而存在，如果删除了文件B，打开文件A就会报错：“No such file or directory”。这是软链接与硬链接最大的不同：文件A指向文件B的文件名，而不是文件B的inode号码，文件B的inode"链接数"不会因此发生变化。

ln -s命令可以创建软链接，

ln -s [OPTION]... TARGET... DIRECTORY 

硬链接和软链接

A为文件
① 软连接B指向文件A，如果A删除，则B失效，此处再一次强调了软连接为符号链接，即不指向实际文件
② 硬链接B指向文件inode，如果A删除，B仍可使用

4 存储区域

当磁盘进行格式化的时候，会被分成三个存储区域，分别为超级块、索引节点、数据块区。

• 超级块：superblock，用来存储文件系统的详细信息，包括inode/block的总量、使用量、剩余量（块个数、块大小、空闲块等），以及文件系统的格式。
• 索引节点区：用来存储索引节点。
• 数据块区：用来存储文件或目录数据。

我们不可能把超级块和索引节点区全部加载到内存在，这样内存是撑不住的，所以只有当需要使用的时候，才会将它加载进内存，它们加载进入内存的时机是不同的。

• 超级块：当文件系统挂载时进入内存当中；
• 索引节点区：当文件系统被访问时进入内存中。

5 常见文件系统的类型

linux中文件系统可以粗略分为：

1. 根文件系统

根文件系统(rootfs)是内核启动时所 mount(挂载)的第一个文件系统，内核代码映像文件保存在根文件系中，而系统引导启动程序会在根文件系统挂载之后从中把一些基本的初始化脚本和服务等加载到内存中去运行。

根文件系统的根目录/下有很多子目录：

2. 虚拟文件系统

从上面的分类图中我们可以知道Linux中有很多文件系统，并且是共存的。那么在Linux中是怎么做到让一切都是文件呢？这是由于有一层虚拟文件系统软件抽象层的存在，这个软件抽象层为用户屏蔽了底层文件系统的差异，向上层提供了统一地访问接口。如图：

无论最下层的文件系统是什么，我们最上层的用户端尽管使用系统调用接口(open、write、read等)或glibc接口(fopen、fwrite、fread等)来操作就可访问文件系统里的文件，使得一切都是文件成为可能。

① VFS
VFS（Virtual Filesystem Switch）称为虚拟文件系统或虚拟文件系统转换，是一个内核软件层，在具体的文件系统之上抽象的一层，用来处理与Posix文件系统相关的所有调用，表现为能够给各种文件系统提供一个通用的接口，使上层的应用程序能够使用通用的接口访问不同文件系统，同时也为不同文件系统的通信提供了媒介。

VFS并不是一种实际的文件系统，它只存在于内存中，不存在任何外存空间，VFS在系统启动时建立，在系统关闭时消亡。

VFS由超级块、inode、dentry、vfsmount等结构来组成。

② VFS在linux架构中的位置
从用户的使用角度，Linux下的文件系统中宏观上主要分为三层：

1．上层的文件系统的系统调用（System-call ）
2．虚拟文件系统VFS（Virtual File System）层
3．挂载到VFS中的各种实际文件系统

Linux系统的User使用GLIBC（POSIX标准、GUN C运行时库）作为应用程序的运行时库，然后通过操作系统，将其转换为系统调用SCI（system－call interface），SCI是操作系统内核定义的系统调用接口，这层抽象允许用户程序的I／O操作转换为内核的接口调用。

3. 真文件系统

真文件系统其实是实际存储设备的文件系统，挂载于EEPROM、 Nor FLASH、 NAND FLASH、 eMMC 等存储器中

Linux存在几十个文件系统类型：ext2，ext3，ext4，xfs，brtfs，zfs等等

真文件系统包括：

• ext文件系统，扩展文件系统extended filesystem，使用虚拟目录来操作硬件设备，在物理设备上按定长块存储数据。采用index索引节点的系统来存放虚拟目录中所存储文件的信息，索引节点位每个物理设备创建一个单独的表(索引节点表)来存储这些文件信息，虚拟目录中每个文件在索引节点表中都有一个条目。ext中extended部分来自其跟踪的每个文件的额外数据，包括：文件名，文件大小，文件属主，属组，访问权限，指向存储文件的每个硬盘块上的指针。限制：文件不能好过2G

• ext2文件系统是ext的扩展，在ext基础上增加了文件的创建时间，修改时间和最后访问时间，允许最大文件2TB，后期版本增加到32T。改变了文件在数据块中的存储方式，ext系统常见问题在文件写到物理设备，数据块分散在整个设备中（碎片化），需要更长的时候查找特定文件的块，降低了文件系统性能。ext2通过按组分配磁盘块来减轻碎片化。限制：容易因为系统崩溃或断电时损坏

• 日志文件系统为linux增加了一层安全性，他不再使用之前将数据直接写入存储设备再更新索引节点表的做法，而是先将文件的更改写到临时文件（日志，journal），在数据成功写到存储设备和索引节点表后，再删除对应的日志条目。如果写入时系统崩溃或断电，日志文件下次会读取日志文件并处理上次未写入的数据。linux有三种广泛的日志方法，包括：

  数据模式：索引节点和文件都会被写入日志；丢失数据风险低，但性能差
  有序模式：只有索引节点会被写入日志，文件数据成功写入后才删除；性能和安全取得折中
  回写模式：只有索引节点会被写入日志，但不控制文件数据何时写入；丢数据风险高，但比不用日志好，性能好，安全性差

• ext3文件系统采用和ext2相同的索引节点表结构，但给每个存储设备增加了一个日志文件，默认情况下，ext3使用有序模式的日志功能，可以修改为其他两种模式。限制：无法恢复误删文件，没有内建压缩功能，不支持加密文件

• ext4文件系统是ext3的扩展，除了支持压缩，加密，还支持一个称为区段(extent)的特性。区段在存储设备上按块分配空间，但索引节点表只保存起始块位置，由于无需列出所有用来存储的文件中数据的数据块，可以在索引表中节省一些空间。还引入了块预分配技术，如果想在设备给一个要变大的文件预留空间，ext4可以为文件分配所需的块，而不仅仅是那些现在已经用到的块。用0填满预留数据块，不会分配给其他文件

• ReiserFS文件系统支持回写日志模式，linux最快的日志文件系统之一，有两个有意思的特性：一是在线调整已有文件系统大小，二是尾部压缩技术（tailpacking），该技术将一个文件的数据填入另一个文件数据块的空白处

• JFS文件系统采用有序日志方法，基于区段的文件分配

• XFS日志文件系统采用回写日志模式，允许在线调整文件系统大小，但只能扩大不能缩小

• 写时复制文件系统 COW(copy-on-write),兼顾了安全性和性能，如果要修改数据，会使用科隆或写快照，修改过的数据不会直接覆盖当前数据，而是放入文件系统的另一个位置，即便修改已完成，也不会覆盖。

• ZFS文件系统，COW是ZFS由Sun公司研发，用于opensolaris，由于没有使用GPL许可，所以无法成为linux默认文件系统

• Btrfs文件系统（B树文件系统）在Reiser4上改进可靠性，因其稳定性、易用性及能够动态调整已挂载文件系统大小，成为最流行的文件系统，OpenSUSE将其作为默认文件系统

4. 伪文件系统

Linux内核提供了sysfs、procfs、devtmpfs等伪文件系统，伪文件系统存在于内存，不占用硬盘。以文件地形式向用户提供一些系统信息，用户读写这些文件就可以读取、修改系统的一些信息。

① procfs
procfs是 进程文件系统的缩写，包含一个伪文件系统(启动时动态生成的文件系统)，用于通过内核访问进程信息。这个文件系统通常被挂载到 /proc 目录。

由于 /proc 不是一个真正的文件系统，它也就不占用存储空间，只是占用有限的内存。

/proc目录的内容如下：

[root@dbc-server-554 zabbix]# ls /proc/
1      16     20738  26     2981  3027   3273  34   377   517   680  82    903   97           iomem         schedstat
10     1635   20739  27     2983  3029   3291  349  38    518   69   826   905   972          ioports       scsi
10090  1658   21     2741   2985  3035   3292  35   39    519   693  827   906   977          ipmi          self
10148  1686   21665  28     2986  3045   3295  351  4     52    696  830   908   9793         irq           slabinfo
1025   1687   22     28180  2988  3049   3297  352  4043  520   7    831   909   990          kallsyms      softirqs
10925  1688   2236   29     2991  3056   3298  353  41    521   717  838   913   acpi         kcore         stat
11     1689   2237   2948   2993  3057   3299  354  42    522   741  839   914   asound       keys          swaps
12     1690   2238   29532  2994  3063   33    355  43    523   742  84    932   buddyinfo    key-users     sys
13     1699   2239   2957   2995  3068   3302  356  4342  53    769  840   9329  bus          kmsg          sysrq-trigger
1324   17     2240   2958   2997  3070   3303  357  44    54    77   841   934   cgroups      kpagecount    sysvipc
1339   1700   2241   2965   2998  3091   3304  358  46    55    8    842   935   cmdline      kpageflags    timer_list
1349   1701   2242   2966   3000  31     3308  359  48    56    80   8421  936   consoles     loadavg       timer_stats
135    1763   2243   2967   3001  31159  3309  36   487   57    807  843   937   cpuinfo      locks         tty
1352   1779   2244   2969   3003  3132   3314  360  488   58    808  844   939   crypto       mdstat        uptime
1355   1790   2245   2970   3004  3149   3317  361  49    59    809  845   941   devices      meminfo       version
1356   18     23     2971   3005  3169   3320  362  499   6     81   870   942   diskstats    misc          vmallocinfo
1360   19     2399   2972   3006  32     3326  369  50    607   810  874   943   dma          modules       vmstat
1365   19029  24     2973   3007  325    3332  37   500   636   811  875   944   driver       mounts        zoneinfo
138    1968   2400   2974   3010  3250   3338  370  51    65    812  878   949   execdomains  mtrr
14     2      2441   2975   3011  3253   3339  371  513   651   813  880   950   fb           net
1423   20735  25     2976   3013  3255   3343  372  514   6522  814  8969  961   filesystems  pagetypeinfo
1444   20736  2526   2978   3014  3258   3361  373  515   66    816  9     9629  fs           partitions
15558  20737  2540   2980   3015  3269   3391  374  516   67    817  902   967   interrupts   sched_debug

其中，这些以数字命名的文件夹就是与进程相关的部分，这些数字就是进程的PID号。

我们可以访问系统信息，如读取CPU相关信息：

[root@dbc-server-554 zabbix]# cat /proc/cpuinfo
processor       : 0
vendor_id       : GenuineIntel
cpu family      : 6
model           : 60
model name      : Intel(R) Core(TM) i7-4790 CPU @ 3.60GHz
stepping        : 3
microcode       : 0x28
cpu MHz         : 800.024
cache size      : 8192 KB
physical id     : 0
siblings        : 8
core id         : 0
cpu cores       : 4
apicid          : 0
initial apicid  : 0
fpu             : yes
fpu_exception   : yes
cpuid level     : 13
wp              : yes
flags           : fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsr sse sse2 ss ht tm pbe syscall nx pdpe1gb rdtscp lm constant_tsc arch_perfmon pebs bts rep_good nopl xtopology nonstop_tsc aperfmperf eagerfpu pni pclmulqdq dtes64 monitor ds_cpl vmx smx est tm2 ssse3 sdbg fma cx16 xtpr pdcm pcid sse4_1 sse4_2 x2apic movbe popcnt tsc_deadline_timer aes xsave avx f16c rdrand lahf_lm abm epb invpcid_single ssbd rsb_ctxsw ibrs ibpb stibp tpr_shadow vnmi flexpriority ept vpid fsgsbase tsc_adjust bmi1 avx2 smep bmi2 erms invpcid xsaveopt dtherm ida arat pln pts md_clear spec_ctrl intel_stibp flush_l1d
bogomips        : 7195.84
clflush size    : 64
cache_alignment : 64
address sizes   : 39 bits physical, 48 bits virtual
power management:

...

查看内核支持的文件系统类型：

[root@dbc-server-554 zabbix]# cat /proc/filesystems
nodev   sysfs
nodev   rootfs
nodev   ramfs
nodev   bdev
nodev   proc
nodev   cgroup
nodev   cpuset
nodev   tmpfs
nodev   devtmpfs
nodev   debugfs
nodev   securityfs
nodev   sockfs
nodev   dax
nodev   bpf
nodev   pipefs
nodev   configfs
nodev   devpts
nodev   hugetlbfs
nodev   autofs
nodev   pstore
nodev   efivarfs
nodev   mqueue
        fuseblk
nodev   fuse
nodev   fusectl
        xfs
        ext3
        ext2
        ext4
        vfat
nodev   rpc_pipefs
nodev   overlay
nodev   binfmt_misc

② sysfs
sysfs是一个基于内存的文件系统，它的作用是将内核信息以文件的方式提供给用户程序使用。sysfs 文件系统被挂载在 /sys 挂载点上。/sys目录下的内容如：

[root@dbc-server-554 zabbix]# ls /sys/
block  bus  class  dev  devices  firmware  fs  hypervisor  kernel  module  power

sysfs 与 proc 相比有很多优点，最重要的莫过于设计上的清晰。sysfs 的设计原则是一个属性文件只做一件事情， sysfs 属性文件一般只有一个值，直接读取或写入。

整个 /proc/scsi目录在2.6内核中已被标记为过时(LEGACY)，它的功能已经被相应的 /sys 属性文件所完全取代。新设计的内核机制应该尽量使用 sysfs 机制，而将 proc 保留给纯净的“进程文件系统”。

③ devtmpfs
devtmpfs 的功用是在 Linux 核心 启动早期建立一个初步的 /dev，令一般启动程序不用等待 udev(udev 是Linux kernel 2.6系列的设备管理器。它主要的功能是管理/dev目录底下的设备节点。)，缩短 GNU/Linux 的开机时间。

在devtmpfs出现之前，/dev/下面的设备节点应该都是udev-daemon收到内核的事件后用mknod程序或者直接调mknod()系统调用创建出来的；现在基本上不走udev了，几乎所有的设备文件(比如/dev/sda1)都是内核直接创建的。

5. 网络文件系统

NFS(Network File System) ，即网络文件系统， 能使使用者访问网络上别处的文件就像在使用自己的计算机一样。其工作原理是使用客户端/服务器架构 ：

服务器程序向其他计算机提供对文件系统的访问，其过程称为输出。NFS客户端程序对共享文件系统进行访问时，把它们从NFS服务器中“输送”出来。文件通常以块为单位进行传输。