怎么理解Linux虛擬文件系統(tǒng)
本篇內(nèi)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(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“怎么理解Linux虛擬文件系統(tǒng)”吧!
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背景
有時會出現(xiàn)這樣的情況，磁盤空間顯示已經(jīng)被占滿，但是在查看磁盤的具體文件占用情況時，發(fā)現(xiàn)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(xiàn)磁盤已經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)這樣的情況呢？
因為雖然文件已被刪除，但是一些進(jìn)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(jìn)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(shè)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(dá)
內(nèi)存表達(dá)
磁盤表達(dá)
目錄樹的構(gòu)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(jìn)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(fù)責(zé)文件管理的基本組件。上半?yún)^(qū)域為用戶模式，下半?yún)^(qū)域為內(nèi)核模式。應(yīng)用程序使用標(biāo)準(zhǔn)庫libc來訪問文件，庫將請求映射到系統(tǒng)調(diào)用，以便進(jìn)入內(nèi)核模式。
所有與文件相關(guān)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(dāng)抽象層，而且實際上它提供了一個文件系統(tǒng)的基本實現(xiàn)，可以由不同的實現(xiàn)來使用和擴(kuò)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(nèi)存：文件系統(tǒng)安裝時創(chuàng)建，存放文件系統(tǒng)的有關(guān)信息
磁盤：對應(yīng)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(nèi)存：訪問時創(chuàng)建，存放關(guān)于具體文件的一般信息（inode 結(jié)構(gòu)）
磁盤：對應(yīng)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(biāo)識文件系統(tǒng)的文件
文件對象（file object） -內(nèi)存：打開文件時創(chuàng)建，存放 打開文件 與進(jìn)程之間進(jìn)行交互的有關(guān)信息（file 結(jié)構(gòu)） 打開文件信息，僅當(dāng)進(jìn)程訪問文件期間存在于內(nèi)核內(nèi)存中。
目錄項對象（dentry object）
內(nèi)存：目錄項一旦被讀入內(nèi)存，VFS就會將其轉(zhuǎn)換成dentry 結(jié)構(gòu)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(yīng)文件進(jìn)行鏈接的有關(guān)信息
目錄樹
綜合來說，Linux 的 根文件系統(tǒng)(system’s root filessystem) 是內(nèi)核啟動mount的第一個文件系統(tǒng)。內(nèi)核代碼映像文件保存在根文件系統(tǒng)中，而系統(tǒng)引導(dǎo)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(wù)等加載到內(nèi)存中去運行（文件系統(tǒng)和內(nèi)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(yīng)的索引節(jié)點，然后讀取索引節(jié)點的目錄文件，轉(zhuǎn)化為dentry對象，再檢查匹配的目錄項，反復(fù)執(zhí)行以上過程，直至找到對應(yīng)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(shù)記錄在索引節(jié)點對象的 i_nlink 字段。當(dāng)i_nlink字段為零時，說明沒有硬鏈接指向該文件。
文件 & 進(jìn)程管理
下圖是一個簡單示例，說明進(jìn)程是怎樣與文件進(jìn)行交互。三個不同進(jìn)程打開同一個文件，每個進(jìn)程都有自己的文件對象，其中兩個進(jìn)程使用同一個硬鏈接（每個硬鏈接對應(yīng)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(shù)據(jù)又由兩部分組成：內(nèi)存數(shù)據(jù)和磁盤數(shù)據(jù)。Linux 使用 Write back 作為索引節(jié)點的數(shù)據(jù)一致性策略。對于索引節(jié)點的數(shù)據(jù)，當(dāng)文件被打開時，才會加載索引節(jié)點到內(nèi)存；當(dāng)不再被進(jìn)程使用，則從內(nèi)存踢出；如果中間有更新，則需要把數(shù)據(jù)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(shù)。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(jìn)程引用，將會從內(nèi)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(guān)鍵。通過strace(或 dtruss)，查看 rm 的實際的系統(tǒng)調(diào)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(xiàn) 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(shù)。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(shù)據(jù)的一部分。刪除目錄項等價于從父目錄的文件中刪除數(shù)據(jù)，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(jìn)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(shù)
讀取目錄文件數(shù)據(jù)
將目錄文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shù)
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(shù)i_nlink
通過 iput 結(jié)束對文件索引節(jié)點對象的操作，使用計數(shù) i_count 減一
判斷i_count是否為零，如果為零，則釋放內(nèi)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(jié)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！這里是創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！
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