怎么理解Linux虛擬文件系統(tǒng)

本篇內容主要講解“怎么理解Linux虛擬文件系統(tǒng)”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學習“怎么理解Linux虛擬文件系統(tǒng)”吧!

背景

有時會出現這樣的情況，磁盤空間顯示已經被占滿，但是在查看磁盤的具體文件占用情況時，發(fā)現磁盤仍然有很大的空余空間。

1.執(zhí)行df命令查看磁盤使用情況，發(fā)現磁盤已經滿了。

-bash-4.2$ df -Th  Filesystem     Type      Size  Used Avail Use% Mounted on  /dev/vda1      ext4       30G    30G 0      100% /  devtmpfs       devtmpfs  489M     0  489M   0% /dev  tmpfs          tmpfs     497M     0  497M   0% /dev/shm  tmpfs          tmpfs     497M   50M  447M  11% /run  tmpfs          tmpfs     497M     0  497M   0% /sys/fs/cgroup

2.執(zhí)行 du 命令查看各個目錄的磁盤占用情況，把各個目錄文件的大小相加，發(fā)現并沒有占滿磁盤，有10多G空間莫名失蹤。

-bash-4.2$ du -h --max-depth=1 /home16M /home/logs11G /home/serverdog11G /home

3.為何會出現這樣的情況呢？

因為雖然文件已被刪除，但是一些進程仍然打開這些文件，因此其占用的磁盤空間并沒有被釋放。執(zhí)行l(wèi)sof 命令顯示打開已刪除的文件。將有問題的進程重啟（或，清空），磁盤空間就會得到釋放。

-bash-4.2# lsof | grep deletemysqld     2470         mysql    4u      REG              253,1           0     523577 /var/tmp/ibfTeQFn (deleted)  mysqld     2470         mysql    5u      REG              253,1           0     523579 /var/tmp/ibaHcIdW (deleted)  mysqld     2470         mysql    6u      REG              253,1           0     523581 /var/tmp/ibLjiALu (deleted)  mysqld     2470         mysql    7u      REG              253,1           0     523585 /var/tmp/ibCFnzTB (deleted)  mysqld     2470         mysql   11u      REG              253,1

那么，Linux 的文件系統(tǒng)，到底為什么這么設計呢？要了解這些，就要先弄清楚并不容易，下面將從一些基本概念入手，一步步將這些梳理清楚：

•  什么是虛擬文件系統(tǒng)（VFS：virtual filesystem）？

•  什么是通用文件模型？

•  超級塊對象（superblock object）

•  索引節(jié)點對象（inode object）

•  文件對象（file object）

•  目錄項對象（dentry object）

•  文件的概念

•  文件的表達

•  內存表達

•  磁盤表達

•  目錄樹的構建

•  軟鏈接 vs 硬鏈接

•  文件 & 磁盤管理
  

•  索引節(jié)點狀態(tài)

•  文件 & 進程管理

•  操作：

•  打開&刪除

虛擬文件系統(tǒng)（virtual filesystem）

下圖顯示了 Linux 操作系統(tǒng)中負責文件管理的基本組件。上半區(qū)域為用戶模式，下半區(qū)域為內核模式。應用程序使用標準庫libc來訪問文件，庫將請求映射到系統(tǒng)調用，以便進入內核模式。

所有與文件相關的操作的入口都是虛擬文件系統(tǒng)（VFS），而非特定的額文件系統(tǒng)（如Ext3、ReiserFS和NFS）。VFS 提供了系統(tǒng)庫和特定文件系統(tǒng)之間的接口。因此，VFS 不僅充當抽象層，而且實際上它提供了一個文件系統(tǒng)的基本實現，可以由不同的實現來使用和擴展。因此，要了解文件系統(tǒng)是如何工作的，就要先了解VFS 。

通用文件模型

VFS 的主要思想在于引入了一個通用文件模型（common file model）。通用文件模型由以下對象類型組成：

超級塊對象（superblock object）

•  內存：文件系統(tǒng)安裝時創(chuàng)建，存放文件系統(tǒng)的有關信息

•  磁盤：對應于存放在磁盤上的文件系統(tǒng)控制塊（filesystem control block）

索引節(jié)點對象（inode object）

•  內存：訪問時創(chuàng)建，存放關于具體文件的一般信息（inode 結構）

•  磁盤：對應于存放在磁盤上的文件控制塊（file control block）每個索引節(jié)點對象都有一個索引節(jié)點號，唯一地標識文件系統(tǒng)的文件

文件對象（file object） -內存：打開文件時創(chuàng)建，存放 打開文件 與進程之間進行交互的有關信息（file 結構） 打開文件信息，僅當進程訪問文件期間存在于內核內存中。

目錄項對象（dentry object）

• 內存：目錄項一旦被讀入內存，VFS就會將其轉換成dentry 結構的目錄項對象

•  磁盤：特定文件系統(tǒng)以特定的方式存儲在磁盤上

•  存放目錄項（即，文件名稱）與對應文件進行鏈接的有關信息

目錄樹

綜合來說，Linux 的 根文件系統(tǒng)(system’s root filessystem) 是內核啟動mount的第一個文件系統(tǒng)。內核代碼映像文件保存在根文件系統(tǒng)中，而系統(tǒng)引導啟動程序會在根文件系統(tǒng)掛載之后，從中把一些基本的初始化腳本和服務等加載到內存中去運行（文件系統(tǒng)和內核是完全獨立的兩個部分）。其他文件系統(tǒng)，則后續(xù)通過腳本或命令作為子文件系統(tǒng)安裝在已安裝文件系統(tǒng)的目錄上，最終形成整個目錄樹。

start_kernel     vfs_caches_init       mnt_init         init_rootfs     // 注冊rootfs文件系統(tǒng)        init_mount_tree // 掛載rootfs文件系統(tǒng)     …     rest_init     kernel_thread(kernel_init, NULL, CLONE_FS);

就單個文件系統(tǒng)而言，在文件系統(tǒng)安裝時，創(chuàng)建超級塊對象；沿樹查找文件時，總是首先從初識目錄的中查找匹配的目錄項，以便獲取相應的索引節(jié)點，然后讀取索引節(jié)點的目錄文件，轉化為dentry對象，再檢查匹配的目錄項，反復執(zhí)行以上過程，直至找到對應的文件的索引節(jié)點，并創(chuàng)建索引節(jié)點對象。

軟鏈接 vs 硬鏈接

軟鏈接是一個普通的文件，其中存放的是另外一個文件的路徑名。硬鏈接則指向同一個索引節(jié)點，硬鏈接數記錄在索引節(jié)點對象的 i_nlink 字段。當i_nlink字段為零時，說明沒有硬鏈接指向該文件。

文件 & 進程管理

下圖是一個簡單示例，說明進程是怎樣與文件進行交互。三個不同進程打開同一個文件，每個進程都有自己的文件對象，其中兩個進程使用同一個硬鏈接（每個硬鏈接對應一個目錄對象），兩個目錄項對象都指向同一個 索引節(jié)點對象。

索引節(jié)點的數據又由兩部分組成：內存數據和磁盤數據。Linux 使用 Write back 作為索引節(jié)點的數據一致性策略。對于索引節(jié)點的數據，當文件被打開時，才會加載索引節(jié)點到內存；當不再被進程使用，則從內存踢出；如果中間有更新，則需要把數據寫回磁盤。

*  "in_use" - valid inode, i_count > 0, i_nlink > 0  *  "dirty"  - as "in_use" but also dirty  *  "unused" - valid inode, i_count = 0

索引節(jié)點是否仍在使用，是通過 open() 和 close() 操作建立和銷毀文件對象，文件對象通過索引節(jié)點提供的 iget 和 iput 更新索引節(jié)點的i_count字段，以完成使用計數。open 操作使得 i_count 加一， close 操作使得 i_count 減一。在 close 操作時判斷索引節(jié)點是否釋放，如果 i_count = 0，則意味著不再有進程引用，將會從內存釋放。

文件 & 磁盤管理

文件與磁盤管理聯(lián)系最緊密的操作，莫過于touch和rm操作，而尤以后者最為關鍵。通過strace(或 dtruss)，查看 rm 的實際的系統(tǒng)調用

# dtruss rm tmp  ...  geteuid(0x0, 0x0, 0x0)       = 0 0  ioctl(0x0, 0x4004667A, 0x7FFEE06F09C4)       = 0 0  lstat64("tmp\0", 0x7FFEE06F0968, 0x0)        = 0 0  access("tmp\0", 0x2, 0x0)        = 0 0  unlink("tmp\0", 0x0, 0x0)        = 0 0

可以發(fā)現 rm 實際是通過 unlink 完成的。unlink代表刪除目錄項，以及減少其索引節(jié)點的計數。由通用文件模型可知，父目錄本身同樣是一個文件，也就意味著目錄項是其文件數據的一部分。刪除目錄項等價于從父目錄的文件中刪除數據，也就意味著首先要打開父目錄的文件。那么，刪除操作即可理解為：

•  刪除命令（一個進程）使用 open 操作獲得父目錄文件對象

•  通過 iget 增加 目錄文件的索引節(jié)點對象計數

•  讀取目錄文件數據

•  將目錄文件數據轉化為目錄項對象

•  由于目錄項包含文件的索引節(jié)點，類似的，需要通過 iget 增加文件的索引節(jié)點對象計數

•  刪除目錄的目錄項

•  減少文件索引節(jié)點對象的硬鏈接計數i_nlink

•  通過 iput 結束對文件索引節(jié)點對象的操作，使用計數 i_count 減一

•  判斷i_count是否為零，如果為零，則釋放內存

•  然后，判斷i_nlink是否為零，如果為零，則釋放磁盤空間

•  通過 iput 結束對目錄索引節(jié)點對象的操作。

到此，相信大家對“怎么理解Linux虛擬文件系統(tǒng)”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網站，更多相關內容可以進入相關頻道進行查詢，關注我們，繼續(xù)學習！