Linux 内核学习笔记：文件系统
这一篇记录文件系统的几个基础问题：文件系统基本组成、VFS、文件使用、文件存储、空闲空间管理、文件系统结构、目录、软硬链接、文件 I/O。Linux 落点放在 fd、struct file、dentry、inode、superblock、page cache、writeback。
问题索引
| 主题 | 本篇记录 |
|---|---|
| 文件系统基本组成 | inode、dentry、数据块、超级块 |
| 虚拟文件系统 | VFS 对不同文件系统提供统一接口 |
| 文件的使用 | open/read/write/close、fd、打开文件对象 |
| 文件的存储 | 连续、链表、索引、多级索引 |
| 空闲空间管理 | 空闲表、空闲链表、位图 |
| 文件系统结构 | 块组、超级块、inode 位图、块位图、数据块 |
| 目录存储 | 目录文件、文件名到 inode 的映射 |
| 软链接和硬链接 | 路径引用和 inode 引用 |
| 文件 I/O | 缓冲/非缓冲、直接/非直接、阻塞/非阻塞、同步/异步 |
1. 文件系统：命名、元数据、数据块
文件系统提供持久化命名空间。应用看到路径、目录和文件；内核维护路径解析、权限、元数据、缓存、写回和具体磁盘布局。
| 对象 | 记录 |
|---|---|
| 文件名 | 目录中的名字 |
| dentry | 目录项缓存，连接名字和 inode |
| inode | 文件元数据和底层文件对象 |
| data block | 保存文件内容的数据块 |
| superblock | 一个文件系统实例的全局信息 |
inode 记录文件大小、权限、时间戳、数据块位置等元信息。dentry 记录名字和 inode 的关系，并由内核缓存在内存中。一个 inode 可以被多个 dentry 指向，这是硬链接的基础。
Linux 落点：
| Linux 对象 | 作用 |
|---|---|
struct inode | 文件元数据和底层对象 |
struct dentry | 路径名解析缓存 |
struct super_block | 挂载文件系统实例 |
struct address_space | 文件页缓存相关结构 |
struct file_system_type | 具体文件系统类型 |
源码入口：include/linux/fs.h、fs/inode.c、fs/dcache.c、fs/super.c。
2. VFS：统一接口层
VFS, Virtual File System，把不同文件系统和内核对象统一到一组接口下。应用使用 open()、read()、write()、stat() 等接口时，不需要关心底层是 ext4、XFS、tmpfs、procfs、pipe、socket 还是设备文件。
| VFS 对象 | 记录 |
|---|---|
struct file | 一次打开文件对象 |
struct inode | 文件对象和元数据 |
struct dentry | 名字到 inode 的缓存映射 |
struct super_block | 文件系统实例 |
file_operations | read、write、poll、ioctl 等操作表 |
inode_operations | 创建、链接、查找、权限等 inode 操作 |
VFS 的核心价值是把“路径和 fd 接口”与“具体文件系统实现”分开。read() 进入 VFS 后，通过 struct file 的操作表转到具体实现。
3. 文件使用：fd、struct file、inode
打开文件后，用户态拿到 fd。fd 是进程局部整数，真正的打开文件状态在内核对象里。
| 名词 | 记录 |
|---|---|
| fd | 进程局部整数 handle |
files_struct | task 持有的文件表 |
| fdtable | fd 到 struct file * 的映射 |
struct file | 一次打开文件对象，保存 offset、flags、操作表 |
| inode | 文件本体和元数据 |
对象链：
| 层次 | 关系 |
|---|---|
| 进程 | task_struct -> files_struct |
| fd 表 | files_struct -> fdtable |
| 打开文件 | fdtable[fd] -> struct file |
| 路径对象 | struct file -> dentry |
| 文件对象 | dentry -> inode |
同一路径 open() 两次，通常产生两个不同 struct file，文件偏移独立。fork() 后父子进程继承 fd，可能指向同一个 struct file，文件偏移共享。
观察入口：
| 命令 / 路径 | 记录 |
|---|---|
ls -l /proc/<pid>/fd | 看进程打开的 fd |
cat /proc/<pid>/fdinfo/<fd> | 看 offset、flags 等 |
lsof -p <pid> | 看进程打开文件 |
stat <file> | 看 inode、权限、大小、时间 |
4. open、read、write 的主路径
openat() 把路径解析成 dentry/inode，创建 struct file，再分配 fd 放入当前进程 fdtable。
| 阶段 | Linux 入口 |
|---|---|
| 路径解析 | fs/namei.c |
| 创建打开文件对象 | fs/open.c |
| fd 分配 | fdtable / files_struct |
| 权限检查 | VFS + LSM + 具体文件系统 |
普通 buffered read() 通常先查 page cache。命中时从 page cache 拷贝到用户缓冲区；未命中时发起 I/O，把数据读入 page cache，再拷贝到用户缓冲区。
普通 buffered write() 通常把用户数据拷贝到 page cache，把页标记为 dirty，之后由 writeback 写回后备存储。fsync()、sync()、内存压力、脏页时间或比例阈值都可能触发写回。
| 路径 | 关键对象 |
|---|---|
read(fd, buf, count) | fd、struct file、VFS、page cache、copy_to_user() |
write(fd, buf, count) | fd、struct file、page cache、dirty page、writeback |
fsync(fd) | 文件数据和元数据持久化要求 |
5. 文件存储：连续、链表、索引
文件内容最终要映射到磁盘块或其他后备存储块。教材里常见三种方式。
| 方式 | 优点 | 问题 |
|---|---|---|
| 连续空间 | 顺序读写快，定位简单 | 外部碎片，文件扩展困难 |
| 链表 | 文件可动态扩展，空间利用率较高 | 随机访问差，指针损坏影响链路 |
| 索引 | 支持随机访问，文件可扩展 | 索引块有额外开销，大文件需要多级索引 |
Unix 传统 inode 使用直接块、一级间接块、二级间接块、三级间接块组合。小文件通过直接块减少索引开销，大文件通过多级索引扩展容量。
Linux 落点：现代文件系统实现更复杂，例如 extent、日志、延迟分配、写时复制、校验等机制。学习 VFS 时先掌握 inode/dentry/superblock/page cache；深入具体文件系统时再看 ext4、XFS、btrfs 的磁盘布局。
6. 空闲空间管理和文件系统结构
文件系统需要记录哪些块空闲、哪些 inode 空闲。教材里常见空闲表、空闲链表、位图。
| 方式 | 记录 |
|---|---|
| 空闲表 | 记录空闲区起点和长度，适合连续区管理 |
| 空闲链表 | 空闲块通过指针串联 |
| 位图 | 每一位表示一个块或 inode 是否空闲 |
Linux 常见文件系统会用位图或更复杂的数据结构管理空闲空间。以 ext 系列的教材模型看，磁盘可分为引导块、块组、超级块、块组描述符、块位图、inode 位图、inode 表、数据块等区域。
| 结构 | 记录 |
|---|---|
| superblock | 文件系统全局信息 |
| block group descriptor | 块组状态 |
| block bitmap | 数据块使用情况 |
| inode bitmap | inode 使用情况 |
| inode table | inode 列表 |
| data blocks | 文件内容和目录内容 |
7. 目录、硬链接、软链接
目录也是文件。目录内容记录文件名到 inode 的映射。路径解析就是沿着目录层级查 dentry/inode。
| 链接 | 记录 |
|---|---|
| 硬链接 | 多个目录项指向同一个 inode |
| 软链接 | 一个独立文件，内容是目标路径 |
硬链接不能跨文件系统，因为 inode 属于具体文件系统实例。删除一个路径名只是删除一个目录项；当 inode 链接计数归零，并且没有打开文件引用时，文件内容才能被真正释放。
软链接有自己的 inode。访问软链接时，路径解析会读取链接内容，再继续解析目标路径。软链接可以跨文件系统，也可能变成悬空链接。
8. 文件 I/O：四组概念
这里有几组高频混淆点，需要分开记。
| 概念 | 区分点 |
|---|---|
| 缓冲 I/O / 非缓冲 I/O | 是否使用 C 标准库 stdio 缓冲 |
| 直接 I/O / 非直接 I/O | 是否尽量绕过内核 page cache |
| 阻塞 I/O / 非阻塞 I/O | 数据未就绪时 syscall 等待还是立即返回 |
| 同步 I/O / 异步 I/O | 数据准备和数据拷贝阶段是否由调用线程等待 |
更细一点：
| 类型 | 记录 |
|---|---|
| 标准库缓冲 I/O | fread()、fwrite()、printf() 等可能先进入用户态缓冲 |
| 系统调用非缓冲 I/O | read()、write() 直接进入内核，没有 stdio 缓冲 |
| 非直接 I/O | 默认路径，经过 page cache |
| 直接 I/O | 使用 O_DIRECT 等方式尽量绕过 page cache |
| 阻塞 I/O | 数据未就绪时睡眠等待 |
| 非阻塞 I/O | 数据未就绪时返回 EAGAIN / EWOULDBLOCK |
| I/O 多路复用 | select/poll/epoll 等待多个 fd 就绪 |
| 异步 I/O | 提交后由内核完成数据准备和拷贝，之后通知完成 |
阻塞、非阻塞、I/O 多路复用仍然可能是同步 I/O，因为真正 read() 时，内核到用户缓冲区的数据拷贝仍由当前调用路径等待完成。真正异步 I/O 要把数据准备和数据拷贝都从调用线程等待路径中移出去。
9. page cache 和 writeback
page cache 是文件系统和内存管理的交界。它用内存缓存文件数据页。
| 场景 | page cache 行为 |
|---|---|
| buffered read | 命中则直接拷贝；未命中则读入 page cache |
| buffered write | 写入 page cache，标记 dirty |
| file-backed mmap | 虚拟页可映射到 page cache 页 |
| reclaim | 干净文件页可直接回收，脏页需要写回 |
| writeback | 把 dirty page 写到后备存储 |
观察入口：
| 命令 / 路径 | 记录 |
|---|---|
cat /proc/meminfo | Cached、Dirty、Writeback |
vmstat 1 | 内存和 I/O 活动 |
iostat -x 1 | 设备 I/O |
strace -e openat,read,write,fsync,close <cmd> | 文件相关 syscall |
压缩表
| 概念 | 基础概念 / 八股 | Linux 落点 |
|---|---|---|
| inode | 文件元数据 | struct inode |
| dentry | 文件名和 inode 的关系 | struct dentry、dcache |
| VFS | 统一文件接口 | struct file、operations tables |
| fd | 打开文件句柄 | files_struct、fdtable |
| page cache | 文件数据缓存 | address_space、mm/filemap.c |
| hard link | 多目录项指向同一 inode | inode link count |
| symlink | 路径形式的间接引用 | 独立 inode，内容为目标路径 |
| direct I/O | 绕过 page cache | O_DIRECT |
检查点与参考回答
| 问题 | 参考回答 |
|---|---|
| inode 和 dentry 分别是什么？ | inode 记录文件元数据和底层文件对象；dentry 记录名字到 inode 的映射，并由内核缓存在内存中。 |
fd、struct file、inode 怎么区分？ | fd 是进程局部整数；struct file 是一次打开文件对象，保存 offset、flags 和操作表；inode 是文件本体和元数据。 |
| VFS 解决什么问题？ | VFS 给不同文件系统和内核对象提供统一接口，使普通文件、procfs、pipe、socket、设备文件等都能通过统一 syscall 访问。 |
fork() 后 fd 为什么可能共享文件偏移？ | 父子进程的 fdtable 项可能指向同一个 struct file，文件偏移保存在 struct file 中，因此读写会影响同一个 offset。 |
| 硬链接和软链接有什么区别？ | 硬链接是多个目录项指向同一个 inode；软链接是独立文件，内容是目标路径。硬链接通常不能跨文件系统，软链接可以跨文件系统但可能悬空。 |
| buffered I/O 和 direct I/O 怎么区分？ | buffered I/O 经过 page cache；direct I/O 使用 O_DIRECT 等方式尽量绕过 page cache。 |
| 非阻塞 I/O 和异步 I/O 怎么区分？ | 非阻塞 I/O 在数据未就绪时立即返回，但真正读取时仍由调用线程等待数据拷贝；异步 I/O 提交后由内核完成准备和拷贝，再通知完成。 |
| page cache 有什么用？ | page cache 缓存文件数据页，减少磁盘 I/O；写入时先形成 dirty page，再由 writeback 刷回后备存储。 |
本篇参考
- Remzi H. Arpaci-Dusseau and Andrea C. Arpaci-Dusseau, Operating Systems: Three Easy Pieces
- Michael Kerrisk, The Linux Programming Interface
- W. Richard Stevens, Stephen A. Rago, Advanced Programming in the UNIX Environment
- Linux Kernel Documentation: Filesystems
- Linux Kernel Documentation: Block
- Robert Love, Linux Kernel Development