0x00 概述
對於Linux系統來說，一切的數據都起源於磁盤中存儲的文件。Linux文件系統的結構及其在磁盤中是如何存儲的？操作系統是怎樣找到這些文件進行讀取的？這一章主要圍繞這幾個問題進行介紹（以Ext2文件系統（傳統的linux文件系統）為例）。
0x01 Linux系統目錄樹
linux文件系統所有文件和目錄都是由根目錄開始的，以樹的形式展開，如下圖所示：
根據FHS的基本定義，根目錄下面的各個目錄（如usr，var）基本上都有其特定的意義，在此不多做介紹。重點說一下根目錄'/'的作用和意義：
- 其他所有目錄都是由根目錄衍生出來的。
- 根目錄中包含了開機軟件、系統內核文件、函數庫、文件系統修復程序等。
因此，根目錄（/）所在的分區應該越小越好，應用程序所安裝的軟件最好不要與根目錄存放在同一個分區。根目錄越小，系統性能會更好，根目錄所在的文件系統也較不容易出現問題。
0x02 文件（目錄）存儲方式
linux中，磁盤（硬盤）上的存儲划分如下圖所示：
- MBR： 主引導分區。
- 自舉塊（引導分區Boot Sector）：分區中文件系統自身引導程序存放的地方。
- 超級塊（Super block）： 記錄整個文件系統相關的信息的地方，它記錄的信息主要有：block與inode的總量、使用量、剩余量，文件系統的掛載時間，最近一次寫入數據的時間等。
- 柱面組（塊組） 每個柱面為一個柱面組（組號與柱面號一致），一個分區包含多個柱面。
- 配置信息：不詳。
- i節點位圖（inode bitmap）：每個inode結點對應位圖中的一個位（這樣一個字節可表示8個inode的使用情況），每個位值為0或1，表示該位所處下標對應的inode有沒有被使用。
- 塊位圖（block bitmap）：每個數據塊或目錄塊都對應着塊位圖中的一個位，位的下標和塊編號一一對應，每個位的值為0或1，表示該塊是否已被使用。
- i節點表（數組）（inode table）：每個文件或者目錄都有對應的一個inode，inode放在inode table中，包括inode的編號及其對應的信息。
- i節點（inode）： 存儲文件相關信息（不包括文件名）。
- 數據塊（data block）： 存儲文件具體內容。
- 目錄塊： 特殊一點的數據塊，存放
inode編號--文件（目錄）名。
inode詳解
inode的主要記錄了文件的屬性以及該文件實際數據是放在哪幾號數據塊（或目錄塊）中，具體包含以下信息：
- 文件的訪問模式（r/w/x）
- 文件所有者和組（owner/group）
- 文件大小
- 文件創建或狀態改變的時間（ctime）
- 最近一次的讀取時間（atime）
- 最近修改的時間（mtime）
- 定義文件特性的標志（flag）
- 文件真正內容指向的數據塊（pointer）
另外，inode的特征有：
- inode的數量和大小在磁盤格式化的時候就已經固定了，除非再次格式化重新設置，否則不可改變。
- 每個inode的大小均為128Bytes。
- 每個文件僅占用一個inode。
- 文件系統能夠創建（存儲）的文件數量和inode的數量有關，也和磁盤大小（數據塊數量）有關。
- 系統讀取文件時，需要先找到inode，分析inode記錄的權限與用戶是否符合，若符合才可以開始實際讀取數據塊中的內容。
- 為了解決inode數量可能不夠用的問題，操作系統將inode記錄block號的區域定義為12個直接、1個間接、1個雙間接、1個三間接的記錄區。
- 文件IO編程中常說的文件句柄，其實就是inode編號。
0x03 文件讀取過程
已讀取文件/var/log/message為例，講解讀取文件messages時，從磁盤中查找/讀取文件內容的過程。
- 首先系統通過掛載信息（在超級塊中，位置固定）找到根目錄(/)的inode編號，根目錄對應的inode是固定的（通常為2號）。
- 根據根目錄的inode編號（2號），在inode table中找到對應的inode信息，從inode信息中找到存儲根目錄信息的目錄塊編號，根據編號找到數據塊，如圖中標記為‘/’的方格，該目錄塊存儲的信息如圖中的dentry所示。
- 從目錄塊中存儲的信息中，找到文件名（目錄名）為var所對應的inode編號（2667711）。
- 在inode table中找到編號為2667711的inode信息，從該inode信息中，找到var目錄存放的數據塊。從var數據塊存儲的信息中，找到log目錄對應的inode編號（267850）。
- 重復上述步驟，直至找到message文件對應的inode結點，根據inode結點中記錄的message文件內容對應的數據塊，從數據塊中讀取內容。
0x04 扇區、塊（簇/數據塊）、頁
在操作系統數據交互過程中，經常聽到扇區、塊（簇/數據塊）、頁這幾種單位，他們在數據交互過程中的意義為：
- 扇區： 磁頭從磁盤中讀取數據的最小單位，即磁頭每次從磁盤中讀取數據，都是一個扇區一個扇區讀的。
- 塊（簇）： 操作系統與磁盤（硬盤）交互的最小數據單元（在linux系統中稱為塊，在windows系統中稱為簇）。操作系統從硬盤中拿一塊數據，即完成一次磁盤IO。塊（數據塊）的大小在硬盤格式化時被指定，一般有1K，2K，4K（最常用）。如果塊的大小設置為4K，那么磁盤要讀取8個扇區之后，才將數據塊傳給操作系統。另外，數據塊也是DOS下數據存儲的最小單元。例如，如果一個文件的大小為1K，而塊的大小為4K，那么該文件還是會占用一個塊，塊中剩下的3K被空閑出來，不能用於存儲其他數據。因此，設置塊的大小時，需要考慮要存儲文件的大小。
- 頁： 操作系統訪問內存時的最小單元，一般系統頁的大小為4K（或者更大）。操作系統訪問內存中的數據時，如果發現內存中沒有哪個
頁可以提供該數據，那么會發生缺頁，系統通過頁替換（從硬盤中讀取數據）的方式，將數據從硬盤讀取到內存頁中，再返回給調用者。
總的說來，主要就是不同系統、設備間數據交互時，使用了不同的機制和概念。其中磁盤內部（磁盤驅動程序從磁盤）讀取數據時，以扇區為單位；操作系統從磁盤讀取數據時，以塊為單位；操作系統從內存讀取數據時，以頁為單位。
0x05 操作系統對文件存取操作的優化
並非每次讀、寫文件操作都會真正地從磁盤讀出或寫入，那樣性能難以接受。為此操作系統使用了一系列機制，提升了文件IO的性能。
緩存
不管是硬盤還是操作系統，都會對從磁盤片中讀取的數據進行緩存。硬盤中的緩存一般會比較小，如十幾M，操作系統中的緩存則可能大很多。系統會將常用的文件數據放到主存儲器的緩沖區，以加速文件系統的讀寫。一般情況下，只要系統的內存夠用，系統會盡可能多的將磁盤中常用的文件緩存到內存中，直至內存耗盡（這是正常現象）。比如，如果你發現在電腦上讀取文件的速度達到了2G每秒，那肯定不是真的從磁盤讀取的，而是從緩存讀取的。所以要測試磁盤真正的讀數據的速度，需要先清空系統的緩存。
異步處理
當系統加載一個文件到內存后，如果該文件沒有被改動過，則在內存區段的文件數據會被標記為clean，如果是被改動了，則會標記為dirty。此時所有的文件操作還是在內存中進行，並沒有寫入到磁盤中。系統會不定時的將內存中設置為dirty的數據寫回到磁盤，以保持磁盤與內存數據的一致性。這個過程是異步的。你也可以sync命令，將內存中的數強制寫回到硬盤。
另外，要注意的是，在正常關機的情況下，關機命令會主動調用sync來將內存中的數據寫入到磁盤內，但是如果非正常關機（如斷電、死機），由於數據沒有來得及寫入到磁盤，因此重新啟動可能會花費很長的時間進行磁盤檢驗，甚至可能導致文件系統的損毀（非磁盤損壞）。
參考