Linux系統(tǒng)篇-文件系統(tǒng)&虛擬文件系統(tǒng)（非常重要！）

1.軟鏈接和硬鏈接的區(qū)別

我們知道文件都有文件名與數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分兩部分：用戶數(shù)據(jù) (user data) 與元數(shù)據(jù) (metadata)。用戶數(shù)據(jù)，即文件數(shù)據(jù)塊 (data block)，數(shù)據(jù)塊是記錄文件真實(shí)內(nèi)容的地方;而元數(shù)據(jù)則是文件的附加屬性，如文件大小、創(chuàng)建時(shí)間、所有者等信息。在 Linux 中，元數(shù)據(jù)中的 inode 號(hào)(inode 是文件元數(shù)據(jù)的一部分但其并不包含文件名，inode 號(hào)即索引節(jié)點(diǎn)號(hào))才是文件的唯一標(biāo)識(shí)而非文件名。文件名僅是為了方便人們的記憶和使用，系統(tǒng)或程序通過(guò) inode 號(hào)尋找正確的文件數(shù)據(jù)塊

為解決文件的共享使用，Linux 系統(tǒng)引入了兩種鏈接：硬鏈接 (hard link) 與軟鏈接(又稱符號(hào)鏈接，即 soft link 或 symbolic link)。鏈接為 Linux 系統(tǒng)解決了文件的共享使用，還帶來(lái)了隱藏文件路徑、增加權(quán)限安全及節(jié)省存儲(chǔ)等好處。若一個(gè) inode 號(hào)對(duì)應(yīng)多個(gè)文件名，則稱這些文件為硬鏈接。硬鏈接就是同一個(gè)文件使用了多個(gè)別名

由于硬鏈接是有著相同 inode 號(hào)僅文件名不同的文件，因此硬鏈接存在以下幾點(diǎn)特性：

• 文件有相同的 inode 及 data block;
• 只能對(duì)已存在的文件進(jìn)行創(chuàng)建;
• 不能交叉文件系統(tǒng)進(jìn)行硬鏈接的創(chuàng)建;
• 不能對(duì)目錄進(jìn)行創(chuàng)建，只可對(duì)文件創(chuàng)建;
• 刪除一個(gè)硬鏈接文件并不影響其他有相同 inode 號(hào)的文件。

inode 號(hào)僅在各文件系統(tǒng)下是唯一的，當(dāng) Linux 掛載多個(gè)文件系統(tǒng)后將出現(xiàn) inode 號(hào)重復(fù)的現(xiàn)象，因此硬鏈接創(chuàng)建時(shí)不可跨文件系統(tǒng)

軟鏈接與硬鏈接不同，若文件用戶數(shù)據(jù)塊中存放的內(nèi)容是另一文件的路徑名的指向，則該文件就是軟連接。軟鏈接就是一個(gè)普通文件，只是數(shù)據(jù)塊內(nèi)容有點(diǎn)特殊。軟鏈接有著自己的 inode 號(hào)以及用戶數(shù)據(jù)塊。因此軟鏈接的創(chuàng)建與使用沒(méi)有類似硬鏈接的諸多限制：

• 軟鏈接有自己的文件屬性及權(quán)限等;
• 可對(duì)不存在的文件或目錄創(chuàng)建軟鏈接;
• 軟鏈接可交叉文件系統(tǒng);
• 軟鏈接可對(duì)文件或目錄創(chuàng)建;
• 創(chuàng)建軟鏈接時(shí)，鏈接計(jì)數(shù) i_nlink 不會(huì)增加;
• 刪除軟鏈接并不影響被指向的文件，但若被指向的原文件被刪除，則相關(guān)軟連接被稱為死鏈接(即 dangling link，若被指向路徑文件被重新創(chuàng)建，死鏈接可恢復(fù)為正常的軟鏈接)。
• 一般情況下，文件名和inode號(hào)碼是"一一對(duì)應(yīng)"關(guān)系，每個(gè)inode號(hào)碼對(duì)應(yīng)一個(gè)文件名。但是，Unix/Linux系統(tǒng)允許，多個(gè)文件名指向同一個(gè)inode號(hào)碼。這意味著，可以用不同的文件名訪問(wèn)同樣的內(nèi)容;對(duì)文件內(nèi)容進(jìn)行修改，會(huì)影響到所有文件名;但是，刪除一個(gè)文件名，不影響另一個(gè)文件名的訪問(wèn)。這種情況就被稱為"硬鏈接"(hard link)。

2.Linux VFS

Linux 有著極其豐富的文件系統(tǒng)，大體上可分如下幾類：

• 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，如 nfs、cifs 等;
• 磁盤(pán)文件系統(tǒng)，如 ext4、ext3 等;
• 特殊文件系統(tǒng)，如 proc、sysfs、ramfs、tmpfs 等。

實(shí)現(xiàn)以上這些文件系統(tǒng)并在 Linux 下共存的基礎(chǔ)就是 Linux VFS(Virtual File System 又稱 Virtual Filesystem Switch)，即虛擬文件系統(tǒng)。VFS 作為一個(gè)通用的文件系統(tǒng)，抽象了文件系統(tǒng)的四個(gè)基本概念：文件、目錄項(xiàng) (dentry)、索引節(jié)點(diǎn) (inode) 及掛載點(diǎn)，其在內(nèi)核中為用戶空間層的文件系統(tǒng)提供了相關(guān)的接口。VFS 實(shí)現(xiàn)了 open()、read() 等系統(tǒng)調(diào)并使得 cp 等用戶空間程序可跨文件系統(tǒng)。VFS 真正實(shí)現(xiàn)了上述內(nèi)容中：在 Linux 中除進(jìn)程之外一切皆是文件。

Linux VFS 存在四個(gè)基本對(duì)象：超級(jí)塊對(duì)象 (superblock object)、索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象 (inode object)、目錄項(xiàng)對(duì)象 (dentry object) 及文件對(duì)象 (file object)。超級(jí)塊對(duì)象代表一個(gè)已安裝的文件系統(tǒng);索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象代表一個(gè)文件;目錄項(xiàng)對(duì)象代表一個(gè)目錄項(xiàng)，如設(shè)備文件 event5 在路徑 /dev/input/event5 中，其存在四個(gè)目錄項(xiàng)對(duì)象：/ 、dev/ 、input/ 及 event5。文件對(duì)象代表由進(jìn)程打開(kāi)的文件。為文件路徑的快速解析，Linux VFS 設(shè)計(jì)了目錄項(xiàng)緩存(Directory Entry Cache，即 dcache)。

3.文件的打開(kāi)過(guò)程

open()系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程如下：

• 查看system-wide open-file table(系統(tǒng)打開(kāi)文件表)中是否有該文件，即查看該文件是否已經(jīng)被其他進(jìn)程打開(kāi)了
• 如果存在，那么該進(jìn)程會(huì)在自己的per-process open-file table(進(jìn)程打開(kāi)文件表)中，建立一個(gè)項(xiàng)目，指向system-wide open-file table中的該文件
• 如果不存在，則需要根據(jù)file name在directory中查找該file，通常directory中的部分內(nèi)容在cache中，這樣可以加快搜索速度。
• 一旦文件被找到，那么FCB(file control block)文件控制塊會(huì)被復(fù)制到system-wide open-file table中，該表不僅僅保存FCB，而且記錄每個(gè)文件被多少個(gè)進(jìn)程打開(kāi)
• 接下來(lái)，在per-process open-file table(進(jìn)程打開(kāi)文件表)中，簡(jiǎn)直一個(gè)entry，指向進(jìn)程打開(kāi)文件表中該項(xiàng)目

當(dāng)進(jìn)程close()一個(gè)文件時(shí)：

• 該進(jìn)程的per-process open-flle table中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)會(huì)被刪除，系統(tǒng)打開(kāi)表中的該文件計(jì)數(shù)器會(huì)減1
• 如果系統(tǒng)打開(kāi)表中的計(jì)算為0，那么刪除該文件項(xiàng)

4.inode的理解

操作系統(tǒng)讀取硬盤(pán)的時(shí)候，不會(huì)一個(gè)個(gè)扇區(qū)地讀取，這樣效率太低，而是一次性連續(xù)讀取多個(gè)扇區(qū)，即一次性讀取一個(gè)"塊"(block)。這種由多個(gè)扇區(qū)組成的"塊"，是文件存取的最小單位。"塊"的大小，最常見(jiàn)的是4KB，即連續(xù)八個(gè) sector組成一個(gè) block。

文件數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在"塊"中，那么很顯然，我們還必須找到一個(gè)地方儲(chǔ)存文件的元信息，比如文件的創(chuàng)建者、文件的創(chuàng)建日期、文件的大小等等。這種儲(chǔ)存文件元信息的區(qū)域就叫做inode，中文譯名為"索引節(jié)點(diǎn)"。

inode包含文件的元信息，具體來(lái)說(shuō)有以下內(nèi)容：

* 文件的字節(jié)數(shù)

* 文件擁有者的User ID

* 文件的Group ID

* 文件的讀、寫(xiě)、執(zhí)行權(quán)限

* 文件的時(shí)間戳，共有三個(gè)：ctime指inode上一次變動(dòng)的時(shí)間，mtime指文件內(nèi)容上一次變動(dòng)的時(shí)間，atime指文件上一次打開(kāi)的時(shí)間。

* 鏈接數(shù)，即有多少文件名指向這個(gè)inode

* 文件數(shù)據(jù)block的位置

除了文件名以外的所有文件信息，都存在inode之中

每個(gè)inode都有一個(gè)號(hào)碼，操作系統(tǒng)用inode號(hào)碼來(lái)識(shí)別不同的文件。

表面上，用戶通過(guò)文件名，打開(kāi)文件。實(shí)際上，系統(tǒng)內(nèi)部這個(gè)過(guò)程分成三步：首先，系統(tǒng)找到這個(gè)文件名對(duì)應(yīng)的inode號(hào);其次，通過(guò)inode號(hào)，獲取inode信息;最后，根據(jù)inode信息，找到文件數(shù)據(jù)所在的block，讀出數(shù)據(jù)。

目錄(directory)也是一種文件，目錄文件的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，就是一系列目錄項(xiàng)(dirent)的列表。每個(gè)目錄項(xiàng)，由兩部分組成：所包含文件的文件名，以及該文件名對(duì)應(yīng)的inode號(hào)碼。

數(shù)據(jù)塊尋址

inode中記錄了文件數(shù)據(jù)塊的位置，有三種尋址方式：direct blocks直接指向數(shù)據(jù)塊;single indirect指向一個(gè)block，該block中為數(shù)據(jù)塊的指針;double indirect，兩級(jí)block

5.文件描述符

在Linux系統(tǒng)中一切皆可以看成是文件，文件又可分為：普通文件、目錄文件、鏈接文件和設(shè)備文件。文件描述符(file descriptor)是內(nèi)核為了高效管理已被打開(kāi)的文件所創(chuàng)建的索引，其是一個(gè)非負(fù)整數(shù)(通常是小整數(shù))，用于指代被打開(kāi)的文件，所有執(zhí)行I/O操作的系統(tǒng)調(diào)用都通過(guò)文件描述符。程序剛剛啟動(dòng)的時(shí)候，0是標(biāo)準(zhǔn)輸入，1是標(biāo)準(zhǔn)輸出，2是標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤。如果此時(shí)去打開(kāi)一個(gè)新的文件，它的文件描述符會(huì)是3。POSIX標(biāo)準(zhǔn)要求每次打開(kāi)文件時(shí)(含socket)必須使用當(dāng)前進(jìn)程中最小可用的文件描述符號(hào)碼

文件描述符是系統(tǒng)的一個(gè)重要資源，雖然說(shuō)系統(tǒng)內(nèi)存有多少就可以打開(kāi)多少的文件描述符，但是在實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程中內(nèi)核是會(huì)做相應(yīng)的處理的，一般大打開(kāi)文件數(shù)會(huì)是系統(tǒng)內(nèi)存的10%(以KB來(lái)計(jì)算)(稱之為系統(tǒng)級(jí)限制)

6.文件描述符和打開(kāi)文件之間的關(guān)系

每一個(gè)文件描述符會(huì)與一個(gè)打開(kāi)文件相對(duì)應(yīng)，同時(shí)，不同的文件描述符也會(huì)指向同一個(gè)文件。相同的文件可以被不同的進(jìn)程打開(kāi)也可以在同一個(gè)進(jìn)程中被多次打開(kāi)。系統(tǒng)為每一個(gè)進(jìn)程維護(hù)了一個(gè)文件描述符表，該表的值都是從0開(kāi)始的，所以在不同的進(jìn)程中你會(huì)看到相同的文件描述符，這種情況下相同文件描述符有可能指向同一個(gè)文件，也有可能指向不同的文件。具體情況要具體分析，要理解具體其概況如何，需要查看由內(nèi)核維護(hù)的3個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

• 進(jìn)程級(jí)的文件描述符表
• 系統(tǒng)級(jí)的打開(kāi)文件描述符表
• 文件系統(tǒng)的i-node表

進(jìn)程級(jí)的描述符表的每一條目記錄了單個(gè)文件描述符的相關(guān)信息。

• 控制文件描述符操作的一組標(biāo)志。(目前，此類標(biāo)志僅定義了一個(gè)，即close-on-exec標(biāo)志)
• 對(duì)打開(kāi)文件句柄的引用

內(nèi)核對(duì)所有打開(kāi)的文件的文件維護(hù)有一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的描述符表格(open file description table)。有時(shí)，也稱之為打開(kāi)文件表(open file table)，并將表格中各條目稱為打開(kāi)文件句柄(open file handle)。一個(gè)打開(kāi)文件句柄存儲(chǔ)了與一個(gè)打開(kāi)文件相關(guān)的全部信息，如下所示：

• 當(dāng)前文件偏移量(調(diào)用read()和write()時(shí)更新，或使用lseek()直接修改)
• 打開(kāi)文件時(shí)所使用的狀態(tài)標(biāo)識(shí)(即，open()的flags參數(shù))
• 文件訪問(wèn)模式(如調(diào)用open()時(shí)所設(shè)置的只讀模式、只寫(xiě)模式或讀寫(xiě)模式)
• 與信號(hào)驅(qū)動(dòng)相關(guān)的設(shè)置
• 對(duì)該文件i-node對(duì)象的引用
• 文件類型(例如：常規(guī)文件、套接字或FIFO)和訪問(wèn)權(quán)限
•  一個(gè)指針，指向該文件所持有的鎖列表
• 文件的各種屬性，包括文件大小以及與不同類型操作相關(guān)的時(shí)間戳

在進(jìn)程A中，文件描述符1和30都指向了同一個(gè)打開(kāi)的文件句柄(標(biāo)號(hào)23)。這可能是通過(guò)調(diào)用dup()、dup2()、fcntl()或者對(duì)同一個(gè)文件多次調(diào)用了open()函數(shù)而形成的。

進(jìn)程A的文件描述符2和進(jìn)程B的文件描述符2都指向了同一個(gè)打開(kāi)的文件句柄(標(biāo)號(hào)73)。這種情形可能是在調(diào)用fork()后出現(xiàn)的(即，進(jìn)程A、B是父子進(jìn)程關(guān)系)，或者當(dāng)某進(jìn)程通過(guò)UNIX域套接字將一個(gè)打開(kāi)的文件描述符傳遞給另一個(gè)進(jìn)程時(shí)，也會(huì)發(fā)生。再者是不同的進(jìn)程獨(dú)自去調(diào)用open函數(shù)打開(kāi)了同一個(gè)文件，此時(shí)進(jìn)程內(nèi)部的描述符正好分配到與其他進(jìn)程打開(kāi)該文件的描述符一樣。

此外，進(jìn)程A的描述符0和進(jìn)程B的描述符3分別指向不同的打開(kāi)文件句柄，但這些句柄均指向i-node表的相同條目(1976)，換言之，指向同一個(gè)文件。發(fā)生這種情況是因?yàn)槊總€(gè)進(jìn)程各自對(duì)同一個(gè)文件發(fā)起了open()調(diào)用。同一個(gè)進(jìn)程兩次打開(kāi)同一個(gè)文件，也會(huì)發(fā)生類似情況。

7. 總結(jié)

• 由于進(jìn)程級(jí)文件描述符表的存在，不同的進(jìn)程中會(huì)出現(xiàn)相同的文件描述符，它們可能指向同一個(gè)文件，也可能指向不同的文件
• 兩個(gè)不同的文件描述符，若指向同一個(gè)打開(kāi)文件句柄，將共享同一文件偏移量。因此，如果通過(guò)其中一個(gè)文件描述符來(lái)修改文件偏移量(由調(diào)用read()、write()或lseek()所致)，那么從另一個(gè)描述符中也會(huì)觀察到變化，無(wú)論這兩個(gè)文件描述符是否屬于不同進(jìn)程，還是同一個(gè)進(jìn)程，情況都是如此。
• 要獲取和修改打開(kāi)的文件標(biāo)志(例如：O_APPEND、O_NONBLOCK和O_ASYNC)，可執(zhí)行fcntl()的F_GETFL和F_SETFL操作，其對(duì)作用域的約束與上一條頗為類似。
• 文件描述符標(biāo)志(即，close-on-exec)為進(jìn)程和文件描述符所私有。對(duì)這一標(biāo)志的修改將不會(huì)影響同一進(jìn)程或不同進(jìn)程中的其他文件描述符

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