同CPU、內存一樣，文件系統和磁盤I/O，也是Linux操作系統最核心的功能。

　　磁盤為系統提供了最基本的持久化存儲。

　　文件系統則在磁盤基礎上，提供了一個用來管理文件的樹狀結構。

　　文件系統

　　1. 索引節點和目錄項

　　Linux中的一切都由統一的文件系統來管理，包括普通的文件和目錄，以及塊設備、套接字、管道等。Linux文件系統為每個文件都分配了兩個數據結構，索引節點（index node）和目錄項（directory entry），主要用來記錄文件的元信息和目錄結構。

　　索引節點，簡稱為 inode，用來記錄文件的元數據，比如inode編號、文件大小、訪問權限、修改日期、數據的位置等。索引節點和文件一一對應，它跟文件內容一樣會被持久化到磁盤，所以，索引節點同樣占磁盤。

　　目錄項，簡稱為dentry，用來記錄的文件的名字、索引節點指針以及與其他目錄項的關聯關系。多個關聯的目錄項，就構成了文件系統的目錄結構，它是由內核維護的一個內存數據結構，通常也被稱為目錄項緩存。

　　換句話說，索引節點是每個文件的唯一標志，目錄項維護的是文件系統的樹狀結構。目錄項和索引節點的關系是多對一，或者可理解為一個文件多個別名。舉個例子，通過硬鏈接為文件創建的別名，就會對應不同目錄項，這些目錄項本質上是連接同一個文件，所以索引節點相同。

　　更具體地說，文件數據是怎么存儲的，是直接保存到磁盤的？實際上磁盤讀寫的最小單位是扇區，扇區只有512B大小，如果每次讀寫這么小的單位，效率一定很低。所以，文件系統又把連續的扇區組成邏輯塊，再以邏輯塊為最小單元去管理數據。常見的邏輯塊大小是4KB，即連續的8個扇區。下面展示一張示意圖：

　　這里需要注意兩點：

　　第一，目錄項本身在內存中，索引節點在磁盤中。前面的 Buffer 和 Cache 原理中提到，為了協調慢速磁盤和快速CPU之間的性能差異，文件內容會緩存到頁緩存 Cache中。索引節點自然也會緩存到內存中，增加速文件訪問。

　　第二，磁盤在執行文件系統格式化時，會被分成三個存儲區域，超級塊、索引節點區 和 數據塊區。其中，超級塊存儲整個文件系統狀態；索引節點區存儲索引節點；數據塊區，存儲文件數據。

　　2. 虛擬文件系統

　　目錄項、索引節點、超級塊、邏輯塊構成Linux文件系統四大基本要素。不過，為了支持各種不同的文件系統，Linux內核在用戶進程和文件系統中間，引入了一個抽象層，即虛擬文件系統VFS。VFS定義了一套所有文件系統都支持的數據結構和標準接口。這樣，用戶層和內核其他子系統都只需要跟 VFS 提供的統一接口交互就可以了，不需要關心底層各種文件系統的實現細節。下圖很好展示了Linux文件系統的架構圖，能更好的幫助理解系統調用、VFS、緩存、文件系統以及塊存儲之間的關系：

　　從圖中可以看到，在VFS下面Linux可以支持各種文件系統，按照存儲位置的不同，可以分為三類：

　　基于磁盤的文件系統，也就是把數據直接存儲到計算機本地掛載的磁盤中。如 EXT4、XFS、OverlayFS等。

　　基于內存的文件系統，也就是虛擬文件系統，不需要磁盤分配任何存儲空間，只占用內存。如 /proc 文件系統、/sys 文件系統（主要向用戶空間導出層次化的內核對象）。

　　網絡文件系統，用來訪問其他計算機數據的文件系統，如 NFS、SMB、iSCSI等。

　　這些文件系統，要先掛載到 VFS 目錄樹中的子目錄（掛載點），然后才能訪問其中文件。比如安裝系統時，要先掛在一個根目錄（ / ），在根目錄下，再把其他文件系統掛在進來。

　　3. 文件系統I/O

　　把文件掛到掛載點后，就能通過它去訪問它管理的文件了。VFS提供的訪問文件的標準接口，以系統調用的方式提供給應用程序使用。比如，cat命令，相繼調用 open()、read()、write()。文件讀寫方式的各種差異，也導致I/O 的分類多種多樣。常見的有，緩沖與非緩沖I/O、直接與非直接I/O、阻塞與非阻塞I/O、同步與異步I/O等。下面詳細解釋下這四種 I/O分類：

　　第一種，根據是否利用標準庫緩存，可以把文件I/O 分為 緩沖I/O 和 非緩沖I/O。這里的“緩沖”，其實指的是標準庫內部實現的緩存。例如，很多程序遇到換行時才真正輸出，換行前的內容，就是被標準庫暫時緩存起來。因此，緩沖I/O 指的是利用標準庫緩存來加速文件的訪問，在標準庫內部再通過系統調用訪問文件；非緩沖I/O 指的是直接通過系統調用訪問文件，而不通過標準庫緩存。無論是緩沖還是非緩沖 I/O，最后都是通過系統調用訪問文件。而根據前面內容，系統調用后，還通過頁緩存，來減少磁盤I/O操作。

　　第二種，根據是否利用操作系統的頁緩存，可以把文件I/O 分為直接I/O 和 非直接I/O。想要實現直接I/O，需要在系統調用中指定標志 O_DIRECT，如果不指定，默認是非直接I/O。不過注意，這里的直接、非直接I/O，其實最終還是和文件系統交互。如果實在數據庫等場景中，還會看到，跳過文件系統讀寫磁盤的情況，即裸I/O。

　　第三種，根據應用程序是否阻塞自身運行，可以把文件I/O 分為阻塞I/O 和 非阻塞I/O。在應用程序執行I/O 操作后，如果沒獲得響應，就阻塞當前線程，自然不能執行其他任務，這是阻塞I/O；如果沒獲得響應，卻不阻塞當前線程，繼續執行其他任務，隨后通過輪詢或者時間通知的形式，獲得之前調用的結果。比如，訪問管道或者網絡套接字時，設置 O_NONBLOCK 標志，表示非阻塞方式訪問，若不做任何設置，默認就是阻塞方式訪問。

　　第四種，根據是否等待響應結果，可以把文件I/O 分為同步I/O 和 異步I/O。在應用程序執行I/O 操作后，如果一直等到 整個 I/O完成后才獲得響應，就是同步I/O；如果不等待 I/O 完成以及完成后的響應，繼續往下執行，等到 I/O 完成后，響應會用事件通知的方式，告訴應用程序。比如，在操作文件時，如果設置了 O_SYNC 或 O_DSYNC標志，就代表同步I/O，后者是等待文件數據寫入磁盤后才返回，而前者是在后者基礎上，要求文件元數據也要寫入磁盤后才能返回。再比如，在訪問管道或者網絡套接字時，設置選項 O_ASYNC后，就是異步 I/O內核會通過 SIGIO 或者 SIGPOLL，來通知進程，文件是否可讀寫。

　　總之，無論是普通文件和塊設備、還是網絡套接字和管道等，都通過統一的VFS接口來被訪問。

　　4. 文件系統性能觀測

　　加上-i 參數查看索引節點的使用情況，索引節點的容量，（也就是 Inode個數）是在格式化磁盤時設定好的，由格式化工具自動生成。當你發現索引節點空間不足時，但磁盤空間充足時，很可能是過多的小文件導致的，一般的刪除它們或者移到其他的索引節點充足的磁盤上，就能解決問題。

　　接下來，文件系統的目錄項和索引節點的緩存，如何查看呢？

　　實際上，內核使用 Slab 機制，管理目錄項和索引節點的緩存。/proc/meminfo 只給出了Slab整體大小，具體到每一種Slab緩存，就要查看 /proc/slabinfo。運行下面命令可以得到，所有目錄項和各種文件系統的索引節點的緩存情況：

　　dentry 行表示目錄項緩存，inode_cache 行，表示VFS 索引節點緩存，其余的則是各種文件系統的緩存。這里列比較多，可查詢man slabinfo。實際性能分析時，更多使用 slabtop，來找到占用內存最多的緩存類型：

　　從這個結果可以看到，目錄項和索引節點占用最多的 Slab緩存，但其實并不大，約23MB。

　　思考：find / -name file-name 命令導致會不會導致緩存升高，如果會，導致哪類緩存升高呢？

　　find / -name 命令是全盤掃描（包括內存文件系統、磁盤文件系統等），所以這里會導致 xfs_inode 、proc_inode_cache、dentry、 inode_cache這幾類緩存的升高，而且在下次執行 find 命令時，就會快很多，因為它大部分會直接在緩存中查找結果。這里你可以在執行find命令前后，比較slabtop、free、vmstat輸出結果，又會有更深的理解。

　　磁盤 I/O

　　1. 磁盤

　　首先，根據存儲介質的不同，可以分為兩類，機械磁盤 和 固態磁盤。

　　機械磁盤：也稱為硬盤驅動器（Hard Disk Driver，縮寫HDD），機械磁盤由盤片和讀寫磁頭組成，數據存儲在盤片的環狀磁道中，最小讀寫單位 扇區，一般大小為512B。在讀寫數據時，需要移動磁頭，定位到數據所在的盤片磁道中，然后才訪問數據。如果 I/O 請求剛好連續，那就不需要磁道尋址，可獲得最佳性能，這就是順序I/O 的工作原理。隨機 I/O，需要不停地移動磁頭，來定位數據位置，讀寫速度比較慢。

　　固態磁盤：Solid State Driver，縮寫SSD，由固態電子元器件組成，最小讀寫單位 頁，一般大小4KB、8KB等。固態磁盤不需要磁道尋址，不管是連續I/O，還是隨機I/O的性能，都比機械磁盤好得多。

　　另外，相同磁盤的順序I/O 都要比 隨機I/O 快得多，原因如下：

　　對于機械磁盤來說，隨機 I/O需要更多的磁頭尋道和盤片旋轉，性能比順序I/O 慢。

　　對于固態盤來說，雖然隨機I/O 性能比機械盤好很多，但是它也會有“先擦除、再寫入”的限制。隨機讀寫也有大量的垃圾回收，所以還是會比順序I/O 慢很多。

　　另外，順序I/O 可以通過預讀的方式，來減少 I/O請求的次數，這也是其性能優異的原因之一。

　　在上一節提到過，如果每次都讀寫 512B 數據，效率會很低。文件系統會把連續的扇區或頁組成邏輯塊，作為最小單元管理數據，常見的邏輯塊是 4KB，即連續的8個扇區，或者一個頁。

　　其次，還可以按照接口來分類，可以把硬盤分為 IDE、SCSI、SAS、SATA、FC等。不同的接口，分配不同的設備名稱。比如 IDE的會分配一個前綴為 hd 的設備名，SCSI 和 SATA會分配一個 sd 前綴的設備名。如果是多塊同類型的磁盤，會按照a、b、c等字母順序編號。

　　第三，還可以根據使用方式，將磁盤劃分為不同架構。最簡單的就是，作為獨立磁盤來使用。然后再根據需要，將磁盤劃分成多個邏輯分區，再給分區編號。比如前面多次用到的 /dev/sda，還可以分成兩個分區 /dev/sda1 和 /dev/sda2。另一個比較常用的架構是，將多塊磁盤組成一個邏輯磁盤，構成冗余獨立 的磁盤陣列，RAID，提高數據訪問性能，增強數據存儲的可靠性。

　　根據容量、性能、可靠性的不同，RAID可以分為多個級別，如RAID0、RAID1、RAID5、RAID10等。RAID0有最優的讀寫性能，但不提供數據冗余的功能，其他級別的 RAID，在數據冗余的基礎上，對讀寫性能有一定的優化。

　　最后一種架構，把磁盤組合成網絡存儲集群，再通過NFS、SMB、iSCSI等網絡存儲協議，暴露給服務器使用。

　　其實，在Linux下，磁盤是作為塊設備來管理的，也就是以塊為單位來讀寫數據，且支持隨機讀寫。每個塊設備都被賦予主、次兩個設備號，主設備號用在驅動程序中區別設備類型，次設備號用來給多個同類設備編號。

　　2. 通用塊層

　　為了減少不同塊設備的差異帶來的影響，Linux通過一個統一的通用塊層，來管理各種不同的塊設備。通用塊層其實是處在文件系統和磁盤驅動中間的一個塊設備抽象層。有兩個功能：

　　第一個跟虛擬文件系統的功能類似。向上，為文件系統和應用程序，提供訪問塊設備的標準接口；向下，把各種異構的磁盤設備抽象成統一的塊設備，并提供統一框架來管理這些設備的驅動程序。

　　第二個功能，通用塊層還給文件系統和應用程序發來的I/O請求排隊，并通過請求排隊、合并等，提高磁盤讀寫的效率。

　　對 I/O請求排序也是 I/O調度。事實上，Linux內核支持四種 I/O調度算法，NONE、NOOP、CFQ、DeadLine。

　　NONE：確切的說并不能算調度，因為它完全不使用任何調度器，對文件系統和應用程序的 I/O不作任何處理，常用在虛擬機中（此時磁盤 I/O調度完全由物理機支持）。

　　NOOP：最簡單的一種調度算法，是一個先進先出的隊列，只做一些最基本的請求合并，常用于SSD盤。

　　CFQ：完全公平調度器，是現在很多發行版的默認 I/O調度器。它為每個進程維護了一個 I/O調度隊列，并按時間片來均勻分布每個進程的 I/O請求。類似于進程的CPU調度，CFQ調度還支持進程 I/O的優先級調度，所以適用運行著大量進程的系統，像桌面環境、多媒體應用等。

　　DeadLine：分別為讀、寫請求創建不同的 I/O 隊列，可以提高機械磁盤的吞吐量，并確保達到最終期限的請求被優先處理。這種調度算法 多用在 I/O 壓力比較大的場合，如數據庫等。

　　3. I/O棧

　　結合上面講的文件系統、磁盤和通用塊層的工作原理，我們可以整體來看 Linux存儲系統的 I/O原理了。事實上，我們可以把 Linux存儲系統的 I/O棧，由上至下分為三層：文件系統層、通用塊層、設備層。看圖：

　　根據這張全景圖，我們可以更清楚理解，存儲系統的 I/O的工作原理：

　　文件系統層，包括虛擬文件系統和其他各種文件系統的具體實現。首先為上層的應用程序提供標準的文件訪問接口，對下會通過通用塊層，來存儲和管理磁盤數據。

　　通用塊層，是Linux磁盤 I/O的核心，包括設備 I/O隊列和 I/O調度器。會對文件系統的 I/O請求進行排隊，再通過重新排序和請求合并，再發給下一級設備層。

　　設備層，包括存儲設備和相應的驅動程序，負責最終物理設備的 I/O操作。

　　存儲系統的 I/O，通常是整個Linux系統中最慢的一環。所以，Linux通過多種緩存機制來優化 I/O 效率。比如，為了優化文件訪問性能，會使用頁緩存、索引節點緩存、目錄項緩存等多種緩存機制，減少對下層塊設備的直接調用。同樣，為了優化塊設備的訪問性能，會使用緩沖區，來緩存塊設備的數據。

　　4. 磁盤性能指標以及觀測

　　這里說一下常見的五個指標，使用率、飽和度、IOPS、吞吐量以及響應時間等，這五個指標是衡量磁盤性能的基本指標。

　　使用率，是指磁盤處理 I/O的時間百分比。過高的使用率（如超過80%），通常意味著磁盤 I/O的性能瓶頸。

　　飽和度，磁盤處理 I/O的繁忙程度，過高的飽和度，意味著磁盤存在嚴重的性能瓶頸。當達到100%時，磁盤就無法接受新的 I/O請求。

　　IOPS，每秒的 I/O請求數。

　　吞吐量，每秒的 I/O請求大小。

　　響應時間，從發出請求到收到響應的時間間隔。

　　注意，使用率只考慮有沒有 I/O，而不考慮 I/O大小，即使達到100%，也有可能接受新的 I/O請求。在數據庫、大量小文件等這類隨機讀寫比較多的場景中，IOPS更能反應系統整體性能。在多媒體等順序讀寫較多的場景中，吞吐量更能反應系統整體性能。

　　一般來說，我們在為應用程序的服務器選型時，要先對磁盤 I/O的性能進行基準測試，推薦的性能測試工具 fio，來測試磁盤的 IOPS，吞吐量以及響應時間等核心指標。用性能工具得到的指標，作為后續分析應用程序的性能依據。一旦發生性能問題，就可以把它們作為磁盤性能的極限值，進而評估磁盤 I/O的使用情況。

　　接下來看看怎么觀測磁盤 I/O？首推的工具 iostat，它提供每個磁盤的使用率、IOPS、吞吐量等各種常見的性能指標，當然這些指標來自 /proc/diskstats。iostats 的輸出界面如下：

　　下圖說明了這些列的具體含義：

　　這些指標，你要注意，%util 磁盤使用率，r/s + w/s IOPS，rkB/s + wkB/s 吞吐量， r_await + w_await 響應時間。另外從 iostat 并不能直接得到磁盤的飽和度，但是可以把觀測到的，平均請求隊列長度 或者 讀寫請求完成的等待時間，跟基準測試的結果進行對比，綜合來評估。

　　我們再來看看，每個進程的 I/O情況。iostat只能看到磁盤整體的 I/O性能數據，并不能知道具體哪些進程 在進行磁盤讀寫，推薦兩個工具：pidstat 和 iotop。具體使用這里略過。

　　更多信息可以來這里獲取==>>電子技術應用-AET<<

電子技術應用專欄作家  一口linux
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