文件系統(tǒng)定義

在計算機出現(xiàn)之前其實就有文件系統(tǒng)的概念了，此時的文件系統(tǒng)指的是用于管理（存儲和檢索）紙質(zhì)文件的系統(tǒng)，而在計算機發(fā)明之后，文件系統(tǒng)逐漸指的是管理存儲介質(zhì)的系統(tǒng)，它通過簡單的接口給用戶，方便用戶使用存儲設備。

在學習 Linux 的時候，我們通常會看到這樣一句話，Linux中一切皆文件，也就是說，不管是普通的文件和目錄，還是包括塊設備、管道、socket等，也都是交給文件系統(tǒng)去管理的。文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負責管理持久數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)，換言之，也就是負責把用戶的文件存到磁盤硬件中，它是一個磁盤上的目錄結(jié)構(gòu)，是一個組織文件的方法，并且在一個磁盤上，可以包含一個或者多個文件系統(tǒng)。

下面，我們從用戶的角度和操作系統(tǒng)的角度兩個層面來闡述文件系統(tǒng)的相關(guān)概念。

用戶角度

要認識 Linux 的文件系統(tǒng)，從分區(qū)和目錄結(jié)構(gòu)說起，首先我們先來看下windows，這是大多數(shù)人使用最多的一個操作系統(tǒng)，當打開我的電腦的時候，映入眼簾的是大致是這樣一個一張圖：

也就是說在 windows 下，磁盤被分為了 C 盤， D 盤。。。。這樣的一個目錄結(jié)構(gòu)。那對于?Linux呢，它的目錄結(jié)構(gòu)是長啥樣，它有一個根目錄，而系統(tǒng)下的所有目錄都是從根目錄分離出去的，我們可以在?Ubuntu終端運行如下命令來查看Linux的目錄結(jié)構(gòu)。

tree?-L?1?/
上述中，tree表示將當前目錄以樹的結(jié)構(gòu)展示，-L表示的是要顯示當目錄的第幾層，1表示的是要顯示到第一層，最后面的?/表示的也就是Linux的根目錄，也就是說當前命令就是顯示根目錄下第一層目錄的信息，最終得到的結(jié)果如下所示：

為了更好地理解每個目錄所代表的意思，我們看如下所示的內(nèi)容：

/
|----bin?????---------------->?文件系統(tǒng)的起始位置，稱之為根
|----boot????---------------->?存放系統(tǒng)啟動時讀取的文件，包括系統(tǒng)核心文件
|----dev?????---------------->?存放設備文件接口，如打印機，硬盤等外圍設備
|----etc?????---------------->?存放與系統(tǒng)設置和管理相關(guān)的文件，如用戶賬號、密碼等
|????|
|----home????----------------->?存放用戶專屬目錄
|----lib?????----------------->?存放一些共享的函數(shù)庫
|----misc????----------------->?一個空目錄，供管理員存放公共雜物
|----proc????----------------->?存放系統(tǒng)核心和執(zhí)行程序之間的信息
|----root????----------------->?系統(tǒng)管理員（超級用戶）專用目錄
|----sbin????----------------->?與?/bin?類似，存放用于系統(tǒng)引導和管理命令，通常供?root?使用?
|----tmp?????----------------->?臨時目錄，供任何用戶存放臨時文件
|----usr?????----------------->?此目錄包含許多子目錄，用來存放系統(tǒng)命令和程序等信息
|----var?????----------------->?存放經(jīng)常變動的文件，如日志文件，臨時文件，電子郵箱
說到這，就有必要再說一下?Linux下的路徑問題了，在Linux中，Linux的路徑分為絕對路徑和相對路徑

• 絕對路徑：指的是一個文件或者目錄從根目錄開始的完整的路徑

• 相對路徑：是指一個文件或者目錄相對于向前工作目錄的路徑

• 任何不以/和~開始的路徑均為相對路徑

說完了路徑，接下來要敘述的就是?Linux的文件類型的，Linux 內(nèi)一切皆文件，那么對于 Linux 來說，其具有哪些文件類型呢，其主要有如下四種：

• 普通文件

• 目錄文件

• 鏈接文件：其作用類似于?windows下的快捷方式，它本身不包含內(nèi)容，而是指向其他的文件或目錄

• 設備文件：存放在?/dev目錄下，如：hda，hdb，sda。。。

最后，在平時使用操作系統(tǒng)的時候，可能會涉及到掛載的操作，那掛載是什么意思呢？Linux啟動的時候，首先掛載的是根文件系統(tǒng)，之后可以自動或者手動掛載其他文件系統(tǒng)，這些文件系統(tǒng)要掛載到掛載點上，與虛擬文件系統(tǒng)和通用塊設備層建立聯(lián)系。

掛載，指的就是將設備文件中的頂級目錄連接到 Linux 根目錄下的某一目錄（最好是空目錄），訪問此目錄就等同于訪問設備文件。

上述就是基于用戶的角度對文件系統(tǒng)進行了一個概述，接下來從操作系統(tǒng)的角度，更進一步地闡述操作系統(tǒng)。

操作系統(tǒng)角度

文件系統(tǒng)的層次

在上述中，闡述掛載的時候說到一個概念，就是說?Linux在啟動的時候，首先掛載的是根文件系統(tǒng)，然后再自動或者手動掛載其他文件系統(tǒng)，這也是Linux中支持不同文件系統(tǒng)的原因，而支持各種不同文件系統(tǒng)的這種機制又是什么呢？說到這里，就有必要提到Linux的虛擬文件系統(tǒng)了，再敘述它的概念之前，我們先以宏觀的角度來看一下?Linux下的文件系統(tǒng)的一個結(jié)構(gòu)：

由上圖可以知道，整個文件系統(tǒng)體系分為了三個層面，用戶層，內(nèi)核層，硬件層，用戶層是通過API通過系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用的方式訪問虛擬文件系統(tǒng)。在內(nèi)核層，我們可以看到虛擬文件系統(tǒng)下連接了各種類型的文件系統(tǒng)，其是對不同的文件系統(tǒng)的抽象，為上層應用提供了統(tǒng)一的 API 接口；上圖內(nèi)核層還有一層是各個文件系統(tǒng)之下的一層，這一層的作用是隱藏了不同硬件設備之間的細節(jié)，為內(nèi)核提供了統(tǒng)一的 IO 操作接口。下面我們對整個文件系統(tǒng)從下到上對各個層的作用進行一個闡述：

• Device Driver(硬盤驅(qū)動)：常見的硬盤類型有PATA,SATA，在Linux中，對于硬盤提供的驅(qū)動模塊一般都存放在內(nèi)核目錄樹drivers/ata中，而對于一般通用的硬盤驅(qū)動，可能會直接被編譯到內(nèi)核中。

• 通用塊設備層(General Block Device Layer):不同的硬盤，會提供不同的 IO 接口，對于內(nèi)核來講，這種雜亂的接口是不利于管理的，因此就把這些接口進行了抽象，形成了一個統(tǒng)一的對外接口，這樣就不管你是什么存儲設備，操作他們的IO接口并沒有什么區(qū)別。

• 文件系統(tǒng)層：目前大多數(shù)Linux使用的是ex4,與此同時，btrfs也呼之欲出

• 虛擬文件系統(tǒng)：正如不同的存儲設備具有不同的 IO 接口，那么不同的文件系統(tǒng)也具有不用的 API，內(nèi)核想實現(xiàn)的是不管是什么文件系統(tǒng)，都采用的是相同的 API 進行操作，所以 VFS 就做了一個抽象，提供了統(tǒng)一的 API 接口，使之可以對不同的文件系統(tǒng)采用同樣的操作。

文件的使用

上述中，我們介紹了文件系統(tǒng)的層次，那么基于這樣一個層次，我們又應該如何使用文件呢？下圖是一個使用文件的流程圖：

與其對應的代碼也比較簡單：

fd?=?open(name,?flag);????/*?打開文件?*/
...
write(fd,?...);???????????/*?寫數(shù)據(jù)?*/
...
close(fd);????????????????/*?關(guān)閉文件?*/
上述就是往一個文件中寫數(shù)據(jù)的步驟，使用open系統(tǒng)調(diào)用打開文件，open的參數(shù)中包含文件的路徑名和文件名，使用write寫數(shù)據(jù)，其中write使用open所返回的文件描述符，使用完文件后，用close系統(tǒng)關(guān)閉文件，避免資源的泄露。

在打開了一個文件后，操作系統(tǒng)會跟蹤進程打開的所有文件，也就是說操作系統(tǒng)為每個進程維護一個打開文件表，文件表里的每一項代表的是文件描述符，所以說文件描述符是打開文件的標識。

操作系統(tǒng)在打開文件表中維護著打開文件的狀態(tài)和信息：

• 文件指針：系統(tǒng)跟蹤上次讀寫位置作為當前文件位置的指針，這個指針對于打開文件的某個進程來說是唯一的；

• 文件打開計數(shù)器：文件關(guān)閉時，操作系統(tǒng)必須重用其打開文件表目錄，否則表內(nèi)空間就不夠。因為多個進程可能打開同一個文件，所以系統(tǒng)在刪除打開文件條目之前，必須等待最后一個進程關(guān)閉文件，該計數(shù)器跟蹤打開和關(guān)閉數(shù)量，當該計數(shù)為 0 時，系統(tǒng)關(guān)閉文件，刪除該條目；

• 文件磁盤位置：大多數(shù)文件操作都需要系統(tǒng)修改文件的數(shù)據(jù)，該信息保存在內(nèi)存中，以免每個操作都從磁盤中讀??；

• 訪問權(quán)限：每個進程打開文件都需要又一個訪問模式（創(chuàng)建、只讀、讀寫、添加等），該信息保存在進程的打開文件表中。

文件系統(tǒng)的IO類型

根據(jù)文件系統(tǒng)的讀寫差異，可以將IO分為四種類型：

• 緩沖 I/O:是指利用標準庫緩存來加速文件的訪問，而標準庫內(nèi)部再通過系統(tǒng)調(diào)度訪問文件。

• 非緩沖I/O:是指直接通過系統(tǒng)調(diào)用來訪問文件，不再經(jīng)過標準庫緩存

此處標準庫緩存指的是利用棧、隊列等一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行的資源調(diào)度，而不是頁緩存。無論是否是緩沖IO，都會通過系統(tǒng)調(diào)用頁緩存來減少IO次數(shù)

根據(jù)是否利用操作系統(tǒng)的頁緩存，可以把文件I/O分為直接I/O與非直接I/O

• 直接I/O：是指跳過操作系統(tǒng)的頁緩存，直接跟文件系統(tǒng)交互來訪問文件

• 非直接I/O:文件讀寫的時候，先要經(jīng)過系統(tǒng)的頁緩存，然后再由內(nèi)核或者是額外的系統(tǒng)調(diào)用，真正寫入存儲設備

通常，我們的 IO 都是非直接I/O

根據(jù)應用程序是都阻塞自身運行，可以把文件 I/O 分為阻塞 I/O 和非阻塞 I/O

• 阻塞I/O，是指應用程序執(zhí)行 I/O 操作之后，如果沒有獲得響應，就會阻塞當前的線程，自然不能執(zhí)行其他任務

• 非阻塞I/O,是指應用程序執(zhí)行 I/O 操作之后，不會阻塞當前的線程，可以繼續(xù)執(zhí)行其他的任務，隨后再通過輪詢或者事件通知的形式，獲得調(diào)用的結(jié)果

通常情況下I/O都是阻塞的。網(wǎng)絡編程中是非阻塞的I/O，用在網(wǎng)絡套接字的 I/O 中

根據(jù)是否等待響應結(jié)果，把文件分為同步IO和異步IO

• 同步IO:應用程序在執(zhí)行IO操作之后，要一直等到整個IO完成后，才獲得 IO 響應

• 異步IO：是指應用程序在執(zhí)行IO操作之后，不用等待完成，可以繼續(xù)做之后的事情，等到 IO 完成的時候，會通過事件通知的方式，告訴應用程序

文件的存儲

Linux中所有文件都有一個唯一與之對應的索引節(jié)點，索引節(jié)點記錄了文件的元數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)不是通過文件名，而是通過索引節(jié)點來管理文件，用目錄項來描述文件之間的關(guān)系。

索引節(jié)點，也被稱之為是inode，用來記錄文件的元數(shù)據(jù)，元數(shù)據(jù)就包括：node編號、文件大小、訪問權(quán)限、修改日期、數(shù)據(jù)的位置等。

目錄項，也被稱為dentry，用來記錄文件的名字、索引節(jié)點指針及與其他目錄項的關(guān)聯(lián)關(guān)系。多個關(guān)聯(lián)的目錄項，也就構(gòu)成了文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)。

因此，索引節(jié)點相當?shù)挠谖募闹羔?，目錄項維護著文件的樹型關(guān)系

下面是文件存儲各個部分邏輯關(guān)系的一個示意圖：

上圖中，超級塊用來存儲著整個文件系統(tǒng)的狀態(tài)，索引節(jié)點區(qū)用來存儲索引節(jié)點，數(shù)據(jù)塊區(qū)用來存儲文件的數(shù)據(jù)，他們之間的關(guān)系在圖中也很清除了，就不進行贅述了。

總結(jié)

Linux是一個很龐大也很優(yōu)秀的系統(tǒng)，在嵌入式行業(yè)也應用廣泛，筆者對于?Linux的接觸不深，這也是最近對于學習?Linux文件系統(tǒng)時的一個總結(jié)，如果文中出現(xiàn)問題，歡迎各位及時給我提出來呀，我將不勝感激~