本文将分三部分来记录Linux内核磁盘相关的知识，分别是虚拟文件系统VFS、块设备层以及文件系统。

三者的简要关系如下，如图所示，文件系统位于磁盘上，对磁盘上的文件进行组织和管理，块设备层可以理解为块设备的抽象，而虚拟文件系统VFS是对文件系统的一层抽象，下面先从底层的文件系统说起。

1 文件系统

Linux支持的文件系统有几十种，但是ext文件系统使用的最为广泛，目前ext文件系统族有ext2、ext3和ext4，而ext2又是ext文件系统的基础，所以本文将以ext2为例来讲解ext文件系统族。

ext2文件系统是基于块设备的文件系统，它将硬盘划分为若干个块，每个块的长度都相同，一个文件占用的存储空间是块长度的整数倍，即一个块不能用来存储两个文件。

ext2由大量的块组组成，块组的结构如下图：

而整个硬盘的结构可以用下图表示：

启动块是系统在启动时，由BIOS自动加载并执行，它包含一个启动装载程序，通常位于硬盘的起始处，文件系统是从启动块之后开始的。下面来了解块组中各个部分的构成。

1.1 超级块

超级块存储的信息包括空闲和已使用的块的数目、块长度、当前文件系统的状态、各种时间戳，标识文件系统类型的魔数，每个块组中存储的超级块内容都是相同的，这样做是为了在系统崩溃损坏超级块的情况下，有其他副本可以用来恢复数据

s_log_block_size：用来表示块的长度，取值为0、1和2，分别对应的块长度为1024、2048和4096，块长度是由mke2fs创建文件系统期间指定，创建后，就不能修改

s_block_per_group和s_inodes_per_group：每个块组中块和inode的数量，创建文件系统时确定。

s_magic：存储的是0XEF53，用来标识ext2文件系统

1.2 组描述符

组描述符反映了文件系统中各个块组的状态，例如块组中的空闲块和inode数目，每个块组都包含了文件系统中所有块组的组描述信息，其数据结构如下：

1.3 数据块位图和inode位图

位图是保存长的比特位串，该结构中每个比特位都对应于一个数据块或inode，用来标识对应的数据块或inode是空闲还是被使用。总是占用一个数据块

1.4 inode表

inode表包含了块组中所有的inode，inode包含了文件的属性和对应的数据块的标号，inode的数据结构如下：

i_mode：访问权限

i_size和i_block：分别以字节和块为单位指定了文件的长度，需要注意的是，这里总是假定块的大小是512字节（和文件系统实际使用的块大小没有关系）

i_blocks：存储数据块的标号的数组，数组长度为EXT2_N_BLOCKS，其默认值是12+3

i_link_count：统计硬链接的计数器

每个块组的inode数量也是由文件系统创建时设定，默认的设置是128

1.5 数据块

数据块保存的是文件的有用数据

知识点1：inode中保存了文件占用的数据块的编号，那么inode是怎么保存数据块的编码的？

对于一个700MB的文件，如果数据块的长度是4KB，那么需要175000个数据块，而inode需要用175000*4个字节来存储所有的块号信息，这就需要耗费大量的磁盘空间来存储inode信息，更重要的是大多数文件都不需要存储这么多块号。

Linux使用间接存储的方案来解决这个问题，上图表示了简单间接和二次间接，inode本身会存储15个数据块的标号，其中12个直接指向对应的数据块，当文件需要的数据块超过12个时，就需要使用间接，间接指向的数据块，用来存储数据块的标号，而不会存储文件数据，同理，当一次间接还不够用时，就需要二次间接，ext2最高提供三次间接，这样我们就很容易算出文件系统支持的最大文件长度。

知识点2：将分区分为多个块组有什么好处？

文件系统会试图把文件储存到同一个块组中，以最小化磁头在inode、块位图和数据块之间寻道的代价，这样可以显著提高磁盘访问速度

知识点3：目录是怎么存储的？

目录本身也是文件，其同样是有inode和对应的数据块，只不过数据块上存放的是描述目录项的的结构，其定义如下。

file_type：指定了目录的类型，常用的值有EXT2_FT_REG_FILE 和EXT2_FT_DIR，分别用来标识文件和目录。

rec_len：表示从rec_len字段末尾到下一个rec_len字段末尾的偏移量，单位是字节，对于删除的文件和目录，不用删除对应的数据，只需要修改rec_len的值就可以，用来有效地扫描文件目录。

对于文件系统的创建加载，以及数据块的读取和创建，以及预分配等细节，这里不再赘述。

2 块设备层

块设备有一下几个特点：

1, 可以在数据中的任何位置进行访问

2, 数据总是以固定长度块进行传输

3, 对块设备的访问有大规模的缓存

需要注意是，这里提到的块和上文ext2文件系统的块概念是一样。块的最大长度受内存页的长度限制。另外，我们知道磁盘还有一个概念是扇区（sector），它表示磁盘读写的最小单位，通常是512个字节，块是扇区的整数倍。

块设备层是一个抽象层，用来提高磁盘的读写效率，使用请求队列，来缓存并重排读写数据块的请求，同时提供预读的功能，提供缓存来保存预读取的内容。因此下文将重点介绍请求队列以及调度策略。

2.1 请求队列

请求队列是一个存储了I/O请求的双向链表，下面来看表示I/O请求的数据结构。

sector：指定了数据传输的起始扇区

current_nr_sectors：当前请求在当前段中还需要传输的扇区数目

nr_sectors：当前请求还需要传输的扇区数目

其中的bio和biotail字段涉及到另外一个概念BIO，下面来详述。

2.2 BIO

BIO用于在系统和设备之间传输数据，其结构如下，主要关联到了一个数组上，数组项则指向一个内存页。

BIO的数据结构如下：

struct bio{
 sector_t bi_sector;
 struct bio *bi_next; /*将与请求关联的几个BIO组织到一个单链表中*/
 ...
 unsigned short bi_vcnt;  /*bio_vec的数目*/
 unsigned short bi_idx;   /*bi_io_vec数组中，当前处理数组项的索引*/
 unsigned short bi_phys_segments;
 unsigned short bi_hw_segments;
 unsigned int bi_size; /*剩余IO数据量*/
 struct bio_vec *bi_io_vec;   /*实际的bio_vec数组*/
 bio_end_io_t *bi_end_io;
 void  *bi_private;
};


大体上，内核在提交请求时，可以分两步：

1, 首先创建一个BIO实例以描述请求，然后请求的bio字段指向创建的BIO实例，并把请求置于请求队列上

2, 内核处理请求队列并执行BIO中的操作。

2.3 请求插入队列

内核使用队列插入机制，来有意阻止请求的处理，请求队列可能处于空闲状态或者插入状态，如果队列处于空闲状态，队列中等待的请求将会被处理，否则，新的请求只是添加到队列，但并不处理。

2.4 I/O调度

调度和重排I/O操作的算法，称之为I/O调度器，也成为电梯（elevator） ，目前常用的调度算法有：

noop：按照先来先服务的原则一次添加到队列，请求会进行合并当无法重排

deadline：试图最小化磁盘寻道的次数，并尽可能确保请求在一定时间内完成

as：预测调度器，会尽可能预测进程的行为。

cfq：完全公平排队，时间片会分配到每个队列，内核使用一个轮转算法来处理各个队列，确保了I/O带宽以公平的方式在不同队列之间共享。

3 虚拟文件系统

VFS是对文件系统的一层抽象，来屏蔽各种文件系统的差异，对于VFS来说，其主要操作的对象依然是inode，这里需要注意的是，内存中的inode结构和磁盘上文件系统中的inde结构稍有不同。其包含了一些磁盘上inode没有的成员。

3.1 inode

VFS中inode结构如下：

inode中没有保存文件名，而文件名保存在目录项dentry中，因此，如果应用层需要打开一个给定的文件名，就需要先查找其dentry，找其对应的inode，从而找到它在磁盘上的存储位置。

3.2 dentry

struct dentry{
   atomic_t d_count;
   unsigned int d_flags;   /*由d_lock保护*/
   spinlock_t d_lock;  /*每个dentry的锁*/
   struct inode *d_inode;  /*文件名所属的inode，如果为NULL，则标识不存在的文件名*/
   struct hlist_node d_hash;   /*用于查找的散列表*
   struct dentry *d_parent;    /*父目录的dentry实例*/
   struct qstr d_name;
   ...
   unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]   /*短文件名存储在这里*/
};


上文提到，dentry的主要用途是建立文件名和inode的关联，其中有3个重要字段：

d_inode：指向相关inode实例的指针，d_entry还可以为不存在的文件名建立，这时d_inode为NULL指针，这有助于查找不存在的文件名

d_name：指定了文件的名称

d_iname：如果文件名有少量字符组成，则存储在该字段，以加速访问

由于块设备的访问速度较慢，为了加速dentry的查找，内核使用dentry缓存来加速其查找。而dentry缓存在内存中的组织形式如下：

1, 一个散列表：包含了所有的dentry对象

2, 一个LRU链表：不再使用的对象将授予一个最后宽限期，宽限期过后才从内存移除。

对于VFS来说，主要的一个工作是查找inode，下面就介绍inode的查找流程。 

首先调用__link_path_walk来进行权限检查然后主要的逻辑在do_lookup中实现。

do_lookup始于一个路径分量，最终返回一个和带查找文件名相关的inode。

1, 去dentry缓存中查找inode，如果查找到，仍会调用文件系统的d_revalidate函数来检查缓存是否有效

2, 调用read_lookup执行特定于文件系统的查找操作

3.3 打开文件

对于应用程序来说，通常会调用open系统函数来打开一个文件，下面就看下内核处理open的流程。

1, 首先检查force_o_largefile设置

2, 找到一个可用的文件描述符

3, open_namei调用path_lookup函数查找inode

4, 将创建的file实例放置到s_files链表上

5, 将file实例放置到进程task_struct的file->fd数组中

6, 返回到用户层

总结

内核有关磁盘的实现错综复杂，本文试图通过介绍一些关键的概念：ext文件系统、inode、dentry、BIO等，让大家了解内核实现磁盘I/O的主要原理。本文属于读书笔记，如果有疑问的地方 ，可以直接参阅《深入Linux内核架构》。