1.linux文件系统是怎样工作的
文件系统，本身是对存储设备上的文件，进行组织管理的机制。组织方式不同，就会形成不同的文件系统。
Linux 文件系统为每个文件都分配两个数据结构，索引节点（indexnode）-被持久化存储到磁盘,和目录项（directoryentry）-内核维护的一个内存数据结构。它们主要用来记录文件的元信息和目录结构。
在 Linux 中一切皆文件。不仅普通的文件和目录，就连块设备、套接字、管道等，也都要通过统一的文件系统来管理。
磁盘在执行文件系统格式化时，会被分成三个存储区域，超级块、索引节点区和数据块区。其中，超级块，存储整个文件系统的状态。索引节点区，用来存储索引节点。数据块区，则用来存储文件数据.
通过这张图，你可以看到，在 VFS 的下方，Linux 支持各种各样的文件系统，如 Ext4、XFS、NFS 等等。按照存储位置的不同，这些文件系统可以分为三类。第一类是基于磁盘的文件系统，也就是把数据直接存储在计算机本地挂载的磁盘中。常见的 Ext4、XFS、OverlayFS 等，都是这类文件系统。第二类是基于内存的文件系统，也就是我们常说的虚拟文件系统。这类文件系统，不需要任何磁盘分配存储空间，但会占用内存。我们经常用到的 /proc 文件系统，其实就是一种最常见的虚拟文件系统。此外，/sys 文件系统也属于这一类，主要向用户空间导出层次化的内核对象。第三类是网络文件系统，也就是用来访问其他计算机数据的文件系统，比如 NFS、SMB、iSCSI 等。
把文件系统挂载到挂载点后，你就能通过挂载点，再去访问它管理的文件了。VFS 提供了一组标准的文件访问接口。这些接口以系统调用的方式，提供给应用程序使用.
文件读写方式的各种差异，导致 I/O 的分类多种多样。最常见的有，缓冲与非缓冲 I/O、直接与非直接 I/O、阻塞与非阻塞 I/O、同步与异步 I/O 等。 接下来，我们就详细看这四种分类。
无论缓冲 I/O 还是非缓冲 I/O，它们最终还是要经过系统调用来访问文件。而根据上一节内容，我们知道，系统调用后，还会通过页缓存，来减少磁盘的 I/O 操作.
直接 I/O、非直接 I/O，本质上还是和文件系统交互。如果是在数据库等场景中，你还会看到，跳过文件系统读写磁盘的情况，也就是我们通常所说的裸 I/O。
O_SYNC 或者 O_DSYNC 标志，就代表同步 I/O。如果设置了 O_DSYNC，就要等文件数据写入磁盘后，才能返回；而 O_SYNC，则是在 O_DSYNC 基础上，要求文件元数据也要写入磁盘后，才能返回。
在访问管道或者网络套接字时，设置了 O_ASYNC 选项后，相应的 I/O 就是异步 I/O。这样，内核会再通过 SIGIO 或者 SIGPOLL，来通知进程文件是否可读写。
比如非阻塞 I/O，通常会跟 select/poll 配合，用在网络套接字的 I/O 中。
你也应该可以理解，“Linux 一切皆文件”的深刻含义。无论是普通文件和块设备、还是网络套接字和管道等，它们都通过统一的 VFS 接口来访问。
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性能观测：
1）容量
$ df -h /dev/sda1
Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on
/dev/sda1 29G 3.1G 26G 11% /
$ df -i /dev/sda1 //索引节点占据的磁盘空间 容量不足有可能是inode不足
Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
/dev/sda1 3870720 157460 3713260 5% /
2）缓存
用free或vmstat可观察页缓存的大小，free的cache，是页缓存和可回收slab缓存的和，可从/pric/meminfo直接得到他们的大小：
$ cat /proc/meminfo | grep -E "SReclaimable|Cached"
Cached: 748316 kB
SwapCached: 0 kB
SReclaimable: 179508 kB
内核使用 Slab 机制，管理目录项和索引节点的缓存。/proc/meminfo 只给出了 Slab 的整体大小，具体到每一种 Slab 缓存，还要查看 /proc/slabinfo 这个文件。
$ cat /proc/slabinfo | grep -E '^#|dentry|inode'
# name <active_objs> <num_objs> <objsize> <objperslab> <pagesperslab> : tunables <limit> <batchcount> <sharedfactor> : slabdata <active_slabs> <num_slabs> <sharedavail>
xfs_inode 0 0 960 17 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 0
...
ext4_inode_cache 32104 34590 1088 15 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 2306 2306 0hugetlbfs_inode_cache 13 13 624 13 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 1 1 0
sock_inode_cache 1190 1242 704 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 54 54 0
shmem_inode_cache 1622 2139 712 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 93 93 0
proc_inode_cache 3560 4080 680 12 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 340 340 0
inode_cache 25172 25818 608 13 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 1986 1986 0
dentry 76050 121296 192 21 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 5776 5776 0
这个界面中，dentry 行表示目录项缓存，inode_cache 行，表示 VFS 索引节点缓存，其余的则是各种文件系统的索引节点缓存。
/proc/slabinfo 的列比较多，具体含义你可以查询 man slabinfo。在实际性能分析中，我们更常使用 slabtop ，来找到占用内存最多的缓存类型。
VFS 定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口。这样，用户进程和内核中的其他子系统，就只需要跟 VFS 提供的统一接口进行交互。为了降低慢速磁盘对性能的影响，文件系统又通过页缓存、目录项缓存以及索引节点缓存，缓和磁盘延迟对应用程序的影响。
VFS 内部又通过目录项、索引节点、逻辑块以及超级块等数据结构，来管理文件。
目录项，记录了文件的名字，以及文件与其他目录项之间的目录关系。
索引节点，记录了文件的元数据。
逻辑块，是由连续磁盘扇区构成的最小读写单元，用来存储文件数据。
超级块，用来记录文件系统整体的状态，如索引节点和逻辑块的使用情况等。
其中，目录项是一个内存缓存；而超级块、索引节点和逻辑块，都是存储在磁盘中的持久化数据。
那么，进一步想，磁盘又是怎么工作的呢？又有哪些指标可以用来衡量它的性能呢？接下来，我就带你一起看看， Linux 磁盘 I/O 的工作原理。
