参考资料：
1. Linux I/O模型
在Linux下一切皆文件，当我们操作一个文件时候，最基础的就是读写操作，即I/O操作，因此这篇就大致了解解文件系统I/O的相关功能。
1 文件系统
1.1 基本概念
文件系统是操作系统中负责管理持久数据的子系统，即管理文件和目录的一套机制。
说到文件系统，在嵌入式开发过程中经常遇到以下几个文件系统：jffs2、NFS、/proc、FAT32。
jffs2是比较常用的磁盘文件系统，FAT32也是SD卡常用的文件系统；
/proc是基于基于内存的文件系统，即这类文件系统会占用内存；
NFS是网络文件系统，将其进行挂载后可以通过网络访问其它计算机的数据。
上面介绍了几种不同的文件系统，每种文件系统都有自己的特点、实现细节、以及不同的接口，但是Linux系统在这些文件系统之上又引入一个抽象层，即VFS（虚拟文件系统）。VFS提供了一套公有的数据结构和标准接口，不同的文件系统都要遵守这套接口，然后用户就不需要关注底层使用什么文件系统，只需要使用VFS提供的标准接口进行交互，由VFS来和不同的文件系统进行交互，用户不需要关注底层的文件系统。
1.2 文件管理
文件系统为了文件管理方便，为每个文件分配了两个数据结构：索引节点（index node）和目录项（directory entry）。
索引节点保存了文件系统中的每一个文件的元信息数据，即文件的属性信息，比如创建时间、修改时间、文件大小、访问权限、文件的链接数等信息。索引节点数保存在硬盘上的，在格式化时会将硬盘格式化为数据区（存放文件数据）和inode区（存放inode）。
目录项是由文件的文件名以及文件对应的inode组成。多个关联的目录项，就构成了文件系统的目录结构。目录项是由内核维护的内存数据结构，是保存在内存中的。
目录项中的文件名和索引节点是一一对应的，但是却不是唯一对应的，一个文件名只有唯一的一个索引节点与其对应，但是一个索引节点可能有多个文件名与其对应，比如一个文件可能被硬链接为不同的的名字，但是实际的文件数据就一份，实际就链接同一份文件。
1.3 索引节点参数查看
可以使用stat命令查看文件的索引节点相关参数：
# stat tmp_2.txt
File: 'tmp_2.txt'
Size: 0 Blocks: 0 I/O Block: 4096 regular empty file
Device: 803h/2051d Inode: 4102336 Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root)
Access: 2021-07-09 14:26:28.573696292 +0800
Modify: 2021-06-03 09:31:57.435248074 +0800
Change: 2021-06-03 09:31:57.435248074 +0800
Birth: -
#
上面的Links表示有多少文件名指向这个inode。
我们还可以使用df指令查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数据：
# df -i
Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
udev 376445 437 376008 1% /dev
tmpfs 384194 780 383414 1% /run
/dev/sda3 12599296 2526082 10073214 21% /
还可以使用指令查看每个inode的大小：
# dumpe2fs -h /dev/sda3 | grep "Inode size"
dumpe2fs 1.42.13 (17-May-2015)
Inode size: 256
还可以使用指令查看各种索引节点在内存中的缓存情况：
# cat /proc/slabinfo | grep "inode"
ovl_inode 46 46 696 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 2 2 0
rpc_inode_cache 23 23 704 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 1 1 0
btrfs_inode 0 0 1152 14 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 0
mqueue_inode_cache 17 17 960 17 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 1 1 0
fuse_inode 38 38 832 19 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 2 2 0
ecryptfs_inode_cache 0 0 1024 16 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 0
fat_inode_cache 0 0 752 21 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 0 0 0
squashfs_inode_cache 23 23 704 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 1 1 0
ext4_inode_cache 31074 37874 1096 29 8 : tunables 0 0 0 : slabdata 1306 1306 0
hugetlbfs_inode_cache 25 25 632 25 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 1 1 0
sock_inode_cache 2263 2277 704 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 99 99 0
shmem_inode_cache 2064 2288 720 22 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 104 104 0
proc_inode_cache 6200 6900 688 23 4 : tunables 0 0 0 : slabdata 300 300 0
inode_cache 18120 18187 616 13 2 : tunables 0 0 0 : slabdata 1399 1399 0
#
1.4 目录项参数查看
使用ls指令可以查看当前目录中每一个文件名以及对应的inode：
# ls -li ./
4102334 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_0.txt
4102335 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_1.txt
4102336 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_2.txt
4102337 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_3.txt
4102338 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_4.txt
4102339 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_5.txt
4102340 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_6.txt
4102341 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_7.txt
4102342 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_8.txt
4102343 -rw-r--r-- 1 root root 0 6月 3 2021 tmp_9.txt
我们也可以使用指令查看目录项在内存中的缓存情况：
# cat /proc/slabinfo | grep "dentry"
dentry 70420 76398 192 21 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 3638 3638 0
#
也可以使用slabtop指令进行查看：
Active / Total Objects (% used) : 774331 / 853767 (90.7%)
Active / Total Slabs (% used) : 26529 / 26529 (100.0%)
Active / Total Caches (% used) : 87 / 129 (67.4%)
Active / Total Size (% used) : 159912.13K / 177094.16K (90.3%)
Minimum / Average / Maximum Object : 0.01K / 0.21K / 12.00K
OBJS ACTIVE USE OBJ SIZE SLABS OBJ/SLAB CACHE SIZE NAME
37874 31074 82% 1.07K 1306 29 41792K ext4_inode_cache
266214 237780 89% 0.10K 6826 39 27304K buffer_head
76398 70420 92% 0.19K 3638 21 14552K dentry
21882 18113 82% 0.57K 1563 14 12504K radix_tree_node
86640 86640 100% 0.13K 2888 30 11552K kernfs_node_cache
18187 18120 99% 0.60K 1399 13 11192K inode_cache
42123 41381 98% 0.20K 2217 19 8868K vm_area_struct
955 877 91% 5.44K 191 5 6112K task_struct
1.5 文件系统I/O
当我们在读写文件时候，因为操作方式不同，可能会导致I/O数据的就会有不同的表现形式：缓冲I/O与非缓冲I/O、直接I/O与非直接I/O、同步非阻塞I/O、同步阻塞I/O、异步I/O等等，这里不再赘述。