文件系统重要概念

虚拟文件系统VFS

Linux环境中，用户使用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。
每个文件系统是独立的，有自己的组织方法，操作方法。那么对于用户来说，不可能所有的文件系统都了解，那么怎么做到让用户透明的去处理文件呢？例如：我想写文件，那就直接read就OK，不管你是什么文件系统，具体怎么去读！这里就需要引入虚拟文件系统。
所以虚拟文件系统就是：对于一个system，可以存在多个“实际的文件系统”，例如：ext2，ext3，fat32，ntfs等，例如我现在有多个分区，对于每一个分区是一种“实际文件系统”，那么每个“实际的文件系统”的操作和数据结构肯定不一样，那么，用户怎么能透明使用它们呢？
这个时候就需要VFS作为中间一层！用户就只需要和VFS打交道。
VFS是一种软件机制，只存在于内存中，每次系统初始化期间Linux都会先在内存中构造一棵VFS的目录树。
VFS主要的作用是对上层应用屏蔽底层不同的调用方法，提供一套统一的调用接口，二是便于对不同的文件系统进行组织管理。
VFS提供了一个抽象层，将POSIX API接口与不同存储设备的具体接口实现进行了分离，使得底层的文件系统类型、设备类型对上层应用程序透明。
例如read，write，那么映射到VFS中就是sys_read，sys_write，那么VFS可以根据你操作的是哪个“实际文件系统”(哪个分区)来进行不同的实际的操作！这个技术也是很熟悉的“钩子结构”技术来处理的。
其实就是VFS中提供一个抽象的struct结构体，然后对于每一个具体的文件系统要把自己的字段和函数填充进去，这样就解决了异构问题（内核很多子系统都大量使用了这种机制）。

核心数据结构

inode

index node索引结构，用于存储元数据，以及指向实际数据的指针

type Inode struct {
Ino InodeID
Size uint64
Mtime time.Time
Ctime time.Time
Mode os.FileMode
Uid uint32 // userID
Gid uint32 // groupID
// 链接数，记录指向该inode的文件名总数
// *data，指向文件数据block的位置
}

注意

• 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），block是文件存取的最小单位。"块"的大小，一般是4KB，即连续八个 sector组成一个 block。
• inode有两种，一种是VFS的inode，一种是具体文件系统的inode。前者在内存中，后者在持久化在磁盘中。所以每次其实是将磁盘中的inode调进填充内存中的inode
• 对象存储里的fs客户端，其中只有size ctime 文件名是s3后端的，其它的属性都是模拟出来的，并没有持久化，fs服务重启就没了
• 用户通过文件名打开文件，实际上在系统内部，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磁盘block，读出数据。
• inode结构不存储文件名字，它只存储节点号；dentry保存文件名和与inode指针

dentry

目录项(directory entry)，它里面除了name,inode信息[注意是inode指针]，还记录了parent,children的dentry指针，所以dentry是一个 双向指针

type Dentry struct {
Name string // 文件名或者目录名
Parent *Dentry // 向前的dentry指针
children map[string]*Dentry // 向后的dentry指针（当前的子目录项）
Inode *Inode // 自身inode结构
ttl time.Time // 缓存过期时间
}

• 每个 inode 至少有一个 dentry 与之对应（也有可能有多个，比如硬链接）
• 目录项是描述文件的逻辑属性，只存在于内存中，磁盘上并没有实际对应的结构，它是为了提高查找性能而设计出来的缓存结构。
• 不管是文件夹还是普通文件，都有dentry结构，所有的目录项一起构成树形目录结构。
• 顺序逐级查找。例如：/home/xxx/yyy.txt，那么/根目录、home、xxx、yyy.txt都是一个目录项（对应的name是"home"、"xxx"、"yyy.txt"），假设/和yyy.txt属于同一个文件系统，如果要open文件yyy.txt，那VFS首先需要读取根目录的dentry结构，需要顺着children指针一层一层搜索对应的每个目录项的inode，才能找到最终的文件。
• 当然，实际文件系统中，不可能这样链式查找，效率太低了，而是增加一层缓存dcache加速，比如将dentry存在hashmap中，通过dentry地址+name一起计算hash，然后将hash值存在dentry结构中。

文件对象(file)

file结构描述的是进程已经打开文件的属性，包括打开模式、当前偏移、预读等。因为一个文件可以被多个进程打开，所以一个文件可以存在多个文件对象。
linux中，用fd文件描述符(file descriptor)来表示一个打开的文件,它其实就是在files_struct中file数组的下标。还有一个指针f_dentry，指向该文件的dentry数据结构。

files_struct

对于一个进程来说，可能同时在处理多个文件对象，所以需要另一个结构来管理所有的files，即：用户打开文件表--->files_struct

关联图

进程->task_struct->files_struct->file->dentry->inode->Data Area

硬链接/软链接

• 硬链接：多个文件指向同一个inode结构，它们互为硬链接， inode链接数=所有硬链接数之和。（执行ls -l第二列的值就是硬链接）
• 软链接：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（如果目标文件不存在，打开就会报错）。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）。readlink可以查看软链的指向。
• 创建目录时，默认会生成两个目录项："."和".."。前者是当前目录的"硬链接"，后者是父目录的"硬链接"。所以，任何一个目录的"硬链接"总数，总是等于2加上它的子目录总数（含隐藏目录）；每创建一个子目录，父目录的硬链接都会增加1（因为子目录的..都是指向父目录）；但如果创建文件，父目录的硬链接数不会增加。目录下执行ls -a可以列出"."和".."，以及所有隐藏项。
• 不能给目录创建硬链接，只能创建软链接
• linux是通过link数量来控制文件删除的，只有当文件的link数为0时，才能被删除
  

inode的特殊作用

由于inode号码与文件名分离，这种机制导致了一些Unix/Linux系统特有的现象。
　　1、有时，文件名包含特殊字符，无法正常删除。这时，直接删除inode节点，就能起到删除文件的作用。
　　2、移动文件或重命名文件，只是改变文件名，不影响inode号码。
3、可以通过设置硬链接的方式，防止重要文件被删