文件系统的意义
之前说的都是在进程在物理内存保存的数据，内存就像一个纸箱子，仅仅是一个暂存数据的地方，而且空间有限。如果我们想要进程结束之后，数据依然能够保存下来，就不能只保存在内存里，而是应该保存在外部存储中。
我们最常用的外部存储就是硬盘，数据是以文件的形式保存在硬盘上的。为了管理这些文件，我们在规划文件系统的时候，需要考虑如下几点。
文件系统的几个要点：
1、严格的组织形式。以单位进行存储，比如图书馆的书架分成很多小格子；
2、要有索引，实现快速查找；
3、要有缓存，实现热点文件的快速应用；
4、要有文件夹的形式，方便查询和管理。相当于给书分类；
相关命令：
1、格式化
所谓格式化，就是将一块盘使用命令组织成一定格式的文件系统的过程。比如硬盘或者U盘，要先格式化才能放放文件。
使用 Windows 的时候，咱们常格式化的格式为NTFS（New Technology File System）。在 Linux 下面，常用的是 ext3 或者 ext4。
当一个 Linux 系统插入了一块没有格式化的硬盘的时候，我们可以通过命令fdisk -l，查看格式化和没有格式化的分区。
我们可以通过命令mkfs.ext3或者mkfs.ext4进行格式化。
mkfs.ext4 /dev/vdc
执行完这个命令后，vdc会建立一个分区，格式化为ext4文件系统的格式。
格式化后的硬盘，需要挂在某个目录下面，才能作为普通的文件系统进行访问。
mount /dev/vdc1 /根目录/用户A目录/目录1
文件系统相关系统调用（open,rw,lseek,close）
在内核中，要有一整套的数据结构来表示打开的文件。在用户态，每个打开的文件都有一个文件描述符，可以通过个这种文件相关的系统调用，操作这个文件描述符
当使用系统调用open打开一个文件时，操作系统会创建一些数据结构来表示这个被打开的文件。为了能够找到这些数据结构，在进程中，我们会为这个打开的文件分配一个文件描述符fd。
硬盘文件系统
硬盘分为盘片，磁道，扇区，一个扇区512字节。硬盘存储单元是块，一块的大小是扇区大小的整数倍，默认是4K。
inode索引
inode就是对应的索引。主要包含两部分信息，
一个是元数据（比如文件权限、属主，属组，时间，大小），ls -l列出来就是这些信息；
“某个文件分成几块、每一块在哪里”，这些在 inode的 i_block 里面。
在ext2-3里面， i_block有15项。其中前 12 项直接保存了块的位置，也就是说，我们可以通过 i_block[0-11]，直接得到保存文件内容的块，后面放的是间接块的位置，这就导致了，对于大文件来讲，我们要多次读取硬盘来能找到相应的块，这样访问速度就比较慢。
为了解决这个问题，ext4做了一定的改变。它引入了一个新的概念，叫做Extents比如，一个文件大小为128M，如果使用4K大小的块进行存储，需要32K个块。如果按照ext2或者ext3那样散着放，数量太大了。但是Extents可以用于存放连续的块，也就是说，我们可以把128M放在一个Extents里面。这样的话，对大文件的读写性能提高了，文件碎片也减少了
树的形式，每个节点都有一个头，ext4_extent_header 可以用来描述某个节点。包括节点的项数和类型；（节点大小12Btyes）
类型主要有叶子结点这一项会直接指向硬盘上的连续块的地址，我们称为数据节点 ext4_extent；
分支节点，这一项会指向下一层的分支节点或者叶子节点，我们称为索引节点 ext4_extent_idx。
inode位图和块位图
如果我要保存一个数据块，或者要保存一个inodee，我应该放在硬盘上的哪个位置呢？难道需要将所有的inode列表和块列表扫描一遍，找个空的地方随便放吗？
当然，这样效率太低了。所以在文件系统里面，我们专门弄了一个块来保存 inode 的位图。在这 4k 里面，每一位对应一个 inode。如果是 1，表示这个 inode 已经被用了；如果是 0，则表示没被用。同样，我们也弄了一个块保存 block 的位图。位图法大大减少了空间使用。比如redis的bitset也是位图结构，适合用于二值的类型。
至此综合一下：open函数调用链。
open 是一个系统调用，在内核里面会调用 sys_open
先要根据路径找到文件夹。如果发现文件夹下面没有这个文件，同时又设置了 O_CREAT，就说明我们要在这个文件夹下面创建一个文件，那我们就需要一个新的 inode。调用 dir_inode，也就是文件夹的 inode 的 create 函数；这里面的一个重要逻辑是，从文件系统里面读取inode位图，然后找到下一个为0的inode，就是空闲的inode。
文件系统的格式
光有块和索引还不够。还得有文件夹的形式。为什么呢？
想想，如果一个块4K的位图，最多是410248个数据块，然后每个数据块是4K，再乘以410248.一共可以表示的大小只有128MB，现在很多文件都比这个大。
所以，我们先把这个结构称为一个块组。有 N 多的块组，就能够表示 N 大的文件。这样一个个块组，就基本构成了我们整个文件系统的结构。因为块组有多个，块组描述符也同样组成一个列表，我们把这些称为块组描述符表。以及还有一个超级块记录所有的全局信息。
对于整个文件系统，别忘了咱们讲系统启动的时候说的。如果是一个启动盘，我们需要预留一块区域作为引导区，所以第一个块组的前面要留 1K，用于启动引导区。
注意，**超级块和块组描述符表都是全局信息，而且这些数据很重要。**如果这些数据丢失了，整个文件系统都打不开了，这比一个文件的一个块损坏更严重。所以，这两部分我们都需要备份，但是采取不同的策略。
默认情况下，超级块和块组描述符表都有副本保存在每一个块组里面。
对于超级块来讲，由于超级块不是很大，所以就算我们备份多了也没有太多问题。但是，对于块组描述符表来讲，如果每个块组里面都保存一份完整的块组描述符表，一方面很浪费空间；另一个方面，由于一个块组最大 128M，而块组描述符表里面有多少项，这就限制了有多少个块组，128M * 块组的总数目是整个文件系统的大小，就被限制住了。我们的改进的思路就是引入Meta Block Groups 特性。
首先，块组描述符表不会保存所有块组的描述符了，而是将块组分成多个组，我们称为元块组（Meta Block Group）。每个元块组里面的块组描述符表仅仅包括自己的，一个元块组包含 64 个块组，这样一个元块组中的块组描述符表最多 64 项。我们假设一共有 256 个块组，原来是一个整的块组描述符表，里面有 256 项，要备份就全备份，现在分成 4 个元块组，每个元块组里面的块组描述符表就只有 64 项了，这就小多了，而且四个元块组自己备份自己的。
目录的存储格式
其实目录本身也是个文件，也有 inode。inode 里面也是指向一些块。和普通文件不同的是，普通文件的块里面保存的是文件数据，而目录文件的块里面保存的是目录里面一项一项的文件信息。在目录文件的块中，最简单的保存格式是列表，就是一项一项地将 ext4_dir_entry_2 列在哪里。
每一项都会保存这个目录的下一级的文件的文件名和对应的 inode，通过这个 inode，就能找到真正的文件。第一项是“.”，表示当前目录，第二项是“…”，表示上一级目录，接下来就是一项一项的文件名和 inode。
按照列表一个个去找，太慢了，于是我们就添加了索引的模式。当然，首先出现的还是差不多的，第一项是“.”，表示当前目录；第二项是“…”，表示上一级目录，这两个不变。接下来就开始发生改变了。是一个 dx_root_info 的结构，其中最重要的成员变量是 indirect_levels，表示间接索引的层数。如果我们要查找一个目录下面的文件名，可以通过名称取哈希。如果哈希能够匹配上，就说明这个文件的信息在相应的块里面。
软链接和硬链接的存储格式
ln [参数] [源文件或目录][目标文件或目录]
ln -s 创建的是软链接，不带 -s 创建的是硬链接
如图所示，硬链接与原始文件共用一个 inode 的，但是 inode 是不跨文件系统的，每个文件系统都有自己的 inode 列表，因而硬链接是没有办法跨文件系统的。
目录也不能创建硬链接，因为容易造成目录循环。
软链接不同，软链接相当于重新创建了一个文件，快捷方式相当于。这个文件也有独立的 inode，只不过打开这个文件看里面内容的时候，内容指向另外的一个文件。这就很灵活了。我们可以跨文件系统，甚至目标文件被删除了，链接文件还是在的，只不过指向的文件找不到了而已。
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虚拟文件系统
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由于linux可以支持多达数十种不同的文件系统，它们的实现各不相同，因此linux内核向用户空间提供了虚拟文件系统这个统一的接口，来对文件系统进行操作。它提供了常见的文件系统对象模型，比如inode、directory entry、mount等，以及操作这些对象的方法，比如inode operations、directory operations、file operations等。
open函数过程，再一次说一下：
要打开一个文件，首先要通过get_unused_fd_flags得到一个没有用的文件描述符。在每一个进程的task_struct中，有一个指针files，类型是files_struct。files_struct 里面最重要的是一个文件描述符列表。对于任何一个进程，默认情况下，文件描述符0表示stdin标准输入，文件描述符1表示stdout标准输出，文件描述符2表示stderr标准错误输出。另外，再打开的文件，都会从这个列表中找一个空闲位置分配给它。do_sys_open中调用do_filp_open，就是创建这个struct file结构，然后fd_install(fd, f);是将文件描述符和这个结构关联起来。
准备开始节点路径查找。如果缓存中没有找到，就需要真的到文件系统里面去找了，对于ext4来说，调用的是ext4_lookup，会到物理文件系统中找inode。
linux为了提高目录项对象的处理效率，设计与实现了目录项高速缓存dentry cache，简称dcache。它主要由两个数据结构组成：
哈希表dentry_hashtable：dcache中的所有dentry对象都通过d_hash执行链到相应的dentry哈希链表中
未使用的dentry对象链表s_dentry_lru：dentry对象通过其d_lru指针链入LRU链表中。LRU 的意思是最近最少使用。只要有它，就说明长时间不使用，就应该释放了。
do_last获取文件对应的inode对象，并且初始化file对象。vfs_open里面最终要做的事情是，调用f_op->open，也就是调用ext4_file_open。另外一件重要的事情是将打开文件的所有信息，填写到struct file这个结构里面。
总结一下：解封装-陷入内核系统调用-分配文件描述符和文件结构绑定-路径查找（目录项缓存）-找到后打开并填充文件信息-返回到用户态。（陷入内核需要把CPU上下文寄存到内核栈的ptg结构里，内核一系列调用都是内核栈进行的，返回时恢复）
总结：虚拟文件系统就是为不同的文件系统提高统一的接口，包括文件操作，inode操作，目录查找操作。
文件缓存
文件系统的读写，其实就是调用系统函数read和write。对于 read 来讲，里面调用 vfs_read->__vfs_read。对于 write 来讲，里面调用 vfs_write->__vfs_write。在 ext4 层调用的是 ext4_file_read_iter 和 ext4_file_write_iter。
缓存其实就是内存中的一块空间，因为内存比硬盘快得多，linux为了改进性能，有时候会选择不直接操作硬盘，而是将读写都在内存中，然后批量读取或者写入硬盘。一旦能够命中内存，读写效率就会大幅度提高
因此，根据是否使用内存作为缓存，我们可以把文件的IO操作分为两种类型。
第一种类型是缓存IO。
大部分文件系统的默认IO操作都是缓存IO。
对于读操作来讲，操作系统会先检查内核中的缓冲区有没有需要的数据。如果已经缓存了，那就直接从缓存中返回；否则从磁盘中读取，然后缓存在操作系统的缓存中
对于写操作来讲，操作系统会先将数据从用户空间复制到内核空间的缓存中。这时对用户程序来说，写操作就已经完成。至于什么时候再写到磁盘中由操作系统决定，除非显示地调用了sync同步命令
第二种类型是直接IO。
如果在读的逻辑generic_file_read_iter 里面，发现设置了IOCB_DIRECT，则会调用address_space的direct_IO的函数，将数据直接读取硬盘。跨过了缓存层，直接到了文件系统的设备驱动层。由于文件系统是块文件，所以这个调用的是blockdev相关的函数。
我们主要学习缓存IO如何读写的。
缓存读：（预读+拷贝）
1generic_file_buffered_read函数。先找出page cache里面是否有缓存页。如果没有找到，不但读取这一页，还要进行预读；这需要在page_cache_sync_readahead函数中实现。预读完了以后，再试一把查找缓存页，应该能找到了；
如果第一次找缓存页就找到了，我们还是要判断，是不是应该继续预读；如果需要，就调用page_cache_async_readahead 发起一个异步预读。
最后，copy_page_to_iter 会将内容从内核缓存页拷贝到用户内存空间
缓存写：麻烦一点
1、 generic_perform_write 这个函数里面，是一个while循环。我们需要找出这次写入影响的所有的页，然后依次写入。 对于每一个循环，主要做四件事情：
第一步，对于ext4来讲，调用的是ext4_write_begin。（主要做一些日志相关的工作，是为了防止突然断电的时候数据丢失，order模式。这种模式不记录数据的日志，只记录元数据的日志，但是在写元数据的日志前，必须先确保数据已经落盘。这个折中，是默认模式）
第二步，调用iov_iter_copy_from_user_atomic。先将分配好的页面调用kmap_atomic 映射到内核里面的一个虚拟地址，然后将用户态的数据拷贝到内核态的页面的虚拟地址中，调用kunmap_atomic 把内核里面的元素删除。（前面说过内存映射到文件，也需要kmap_atomic 建立内存到文件的关联）
第三步 调用 ext4_write_end 完成写入。可以看出，其实所谓的完成写入，并没有真正写入硬盘，仅仅是写入缓存后，标记为脏页。
但是这里会有一个问题，数据很危险，一旦宕机就没有了，所以需要一种机制，将写入的页面真正写到硬盘中，我们称为回写（Write Back）。
第四步，调用 balance_dirty_pages_ratelimited，是回写脏页的一个很好的时机。如果脏页超过一定数目就回写。
另外还有几种场景也会触发回写：用户主动调用 sync；当内存十分紧张，以至于无法分配页面的时候，会调用free_more_memory，最终会调用wakeup_flusher_threads，释放脏页；脏页已经更新了较长时间，时间上超过了timer，需要及时回写。
总结：写缓存几个步骤：第一先做一些日志相关的工作；第二 kmap_atomic 映射到内核里面的一个虚拟地址。把用户数据写到内核的页面；第三完成写入标记脏页，第四回写落盘。
（注意文件缓存是在内核空间的。读缓存需要把数据从内核拷贝到用户空间，写缓存是把用户数据写到内核的page cache中）