文件系统
文件系统基本概念
文件系统是操作系统用于组织和管理存储设备（磁盘、SSD、NVMe）上数据的方法和结构。
核心功能：
- 命名管理：文件和目录的组织
- 空间管理：分配和回收存储空间
- 权限控制：文件访问权限
- 数据完整性：日志、校验、快照
文件系统结构
应用层
↓ 系统调用（open/read/write/close）
VFS（虚拟文件系统）
↓
具体文件系统（ext4 / NTFS / XFS / Btrfs ...）
↓
块层（Block Layer / IO 调度）
↓
设备驱动（SATA / NVMe / virtio）VFS（Virtual File System）
VFS 是 Linux 文件系统的核心抽象，定义了一组通用接口（inode、dentry、file、super_block），使得上层应用无需关心底层文件系统的具体实现。
VFS 四大对象：
- super_block：已挂载文件系统的元信息
- inode：文件/目录的元数据（权限、大小、位置、时间戳）
- dentry：目录项，维护路径名到 inode 的映射（缓存加速）
- file：进程打开的文件实例，含文件偏移、访问模式
inode
inode（索引节点）是文件系统中最关键的数据结构，存储文件的元数据而非文件名：
inode 内容：
├── 文件类型（普通/目录/管道/设备……）
├── 权限（rwx）
├── 硬链接计数
├── 文件大小（字节）
├── 时间戳（atime/mtime/ctime）
├── 属主（UID/GID）
├── 扩展属性（xattr）
└── 数据块指针（直接/间接/双重/三重）数据块指针结构（ext4）：
inode 数据块索引（15 个指针）：
0-11: 直接块指针（48KB）
12: 一级间接块（单个块指向 ~4MB）
13: 二级间接块（单个块指向 ~4GB * 块大小）
14: 三级间接块（单个块指向 ~4TB）dentry 缓存
路径名解析（如 /usr/local/bin）需要逐级查找目录，dentry 缓存将最近访问的"路径组分段 → inode"的映射存入内存，大幅加速文件路径查找。
磁盘空间管理
连续分配 vs 链式分配 vs 索引分配
| 方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 连续分配 | 读取快，顺序 IO 性能好 | 碎片问题，难以动态增长 |
| 链式分配 | 空间利用率高 | 随机访问需遍历 |
| 索引分配（现代 FS） | 兼顾随机/顺序访问 | 间接块增加开销 |
空闲空间管理
- 位图（Bitmap）：每个块用 1 bit 表示空闲/占用，ext4 使用
- 空闲链表：将空闲块链接，分配时取头
- B+ 树：Btrfs、XFS 使用 B+ 树管理
常见文件系统对比
| 文件系统 | 最大文件 | 最大卷 | 日志 | 特点 |
|---|---|---|---|---|
| ext4 | 16TB | 1EB | 含 | Linux 默认，成熟稳定 |
| XFS | 8EB | 8EB | 含 | 大文件高性能，RHEL 默认 |
| Btrfs | 16EB | 16EB | 含 | 写时复制、快照、压缩、校验和 |
| NTFS | 16EB | 256TB | 含 | Windows 默认，日志 + 压缩 + 加密 |
| FAT32 | 4GB | 2TB | 无 | 兼容性最好，无权限控制 |
| exFAT | 127PB | 128PB | 无 | 大文件 U 盘，广泛兼容 |
日志（Journaling）
- 写前日志（Write-ahead Logging）：在修改元数据之前，先将操作写入日志
- 崩溃后通过回放日志恢复一致性
- 三种模式：Journal（全日志）/ Ordered（仅元数据 + 数据先写）/ Writeback（仅元数据）
- Ordered 模式是 ext4 默认，兼顾性能与安全
磁盘调度算法
- 先来先服务（FCFS）：按请求顺序调度
- 最短寻道优先（SSTF）：优先服务离磁头最近的请求
- 电梯算法（SCAN）：磁头单向运动，沿途服务
- 循环扫描（C-SCAN）：单向到末端后直接回起始
- NOOP：FIFO 合并，适合 SSD（无寻道开销）
- CFQ（完全公平队列）：按进程分配 IO 时间片
SSD 无机械寻道和旋转延迟，使用 NOOP 或 NONE 调度器即可。
Linux 文件系统常用命令
bash
# 查看磁盘和分区
lsblk
fdisk -l
df -hT # 查看挂载点和文件系统类型
# inode 信息
stat file.txt
ls -li file.txt # 查看 inode 号
# 查看打开的文件
lsof
lsof -p <PID>
# 文件系统检查
fsck /dev/sda1
badblocks /dev/sda1
# 文件系统创建
mkfs.ext4 /dev/sdb1
mkfs.xfs /dev/sdc1常见面试问题
- inode 是什么？为什么修改文件权限不需要写数据块？
- 硬链接和软链接的区别？为什么硬链接不能跨文件系统？
- VFS 的作用？为什么 Linux 能挂载各种文件系统？
- ext4 的日志 Ordered 模式下如何保证一致性？
- SSD 上的文件系统和 HDD 上的有什么不同考虑？
- 删除一个大文件时，系统做了什么？为什么有时删除后磁盘空间没有立即释放？