本書通過理論與實踐相結合的方式，深入淺出地介紹了文件系統的概念、原理和具體實現。本書涵蓋本地文件系統、網絡文件系統、分布式文件系統和對象存儲等內容，可以說涵蓋了數據持久化文件系統的主要領域。為了使讀者更加深入地理解文件系統的原理，本書不僅介紹了文件系統的原理和關鍵技術，還結合開源項目介紹了文件系統的實現細節。最后，本書介紹了在互聯網領域廣泛使用的對象存儲、承載海量訪問請求的原理及可存儲海量數據的架構。希望讀者通過閱讀本書對文件系統有全面、深入的認識。本書既可以作為文件系統及其他存儲系統開發人員的指導用書，也可以作為軟件架構師、程序員和 Linux 運維人員的參考用書。
張書寧戴爾科技（Dell Technologies）首席軟件開發工程師，負責公司核心存儲產品Unity和PowerStore的研發工作。先后就職于華為、甲骨文（Oracle）、戴爾科技等世界五百強公司，曾負責分布式存儲產品FusionStorage及中端企業級存儲產品Unity和PowerStore等的系統設計和開發工作，深耕存儲領域十幾載。為了答謝廣大讀者，凡購買本書的讀者有機會免費加入作者的交流存儲技術社群（每季度限100人），在該社群中交流存儲及文件系統相關技術，或者咨詢問題。公眾號： SunnyZhang的IT世界ID：itworld123關注公眾號，私信“免費社群”即可獲得免費加入的方法
目 錄
第 1 章 從文件系統是什么說起 ................................................................................... 1
1.1 什么是文件系統 ...................................................................................... 1
1.1.1 普通用戶角度的文件系統 .......................................................... 3
1.1.2 操作系統層面的文件系統 .......................................................... 9
1.1.3 文件系統的基本原理 ................................................................ 12
1.2 常見文件系統及分類 ............................................................................ 13
1.2.1 本地文件系統 ............................................................................ 14
1.2.2 偽文件系統 ................................................................................ 14
1.2.3 網絡文件系統 ............................................................................ 15
1.2.4 集群文件系統 ............................................................................ 16
1.2.5 分布式文件系統 ........................................................................ 16
第 2 章 知其然——如何使用文件系統...................................................................... 17
2.1 巧婦之炊——準備開發環境 ................................................................. 17
2.2 文件內容的訪問——讀/寫文件 ............................................................ 18
2.2.1 文件系統的 API ......................................................................... 18
2.2.2 文件訪問的一般流程 ................................................................ 19
2.2.3 文件內容的讀/寫實例 ............................................................... 20
2.2.4 關于 API 函數的進一步解釋 .................................................... 22
2.3 如何遍歷目錄中的文件 ........................................................................ 24
2.4 格式化文件系統與掛載 ........................................................................ 27
2.5 文件系統與權限管理 ............................................................................ 29
2.5.1 Linux 權限管理簡介 .................................................................. 30
2.5.2 設置文件的 RWX 權限 ............................................................. 31
2.5.3 設置文件的 ACL 權限 .............................................................. 34
2.6 文件系統的鎖機制 ................................................................................ 37
2.6.1 文件鎖的分類與模式 ................................................................ 37
2.6.2 Linux 文件鎖的使用 .................................................................. 38
2.7 文件系統的擴展屬性 ............................................................................ 41
2.8 文件的零拷貝 ........................................................................................ 42
2.8.1 零拷貝的基本原理 .................................................................... 42
2.8.2 零拷貝的系統 API ..................................................................... 44
第 3 章 知其所以然——本地文件系統原理及核心技術 .......................................... 46
3.1 Linux 文件系統整體架構簡介 .............................................................. 46
3.1.1 從 VFS 到具體文件系統 ........................................................... 48
3.1.2 關鍵處理流程舉例 .................................................................... 50
3.2 本地文件系統的關鍵技術與特性 ........................................................ 61
3.2.1 磁盤空間布局（Layout） ......................................................... 61
3.2.2 文件的數據管理 ........................................................................ 69
3.2.3 緩存技術 .................................................................................... 77
3.2.4 快照與克隆技術 ........................................................................ 82
3.2.5 日志技術 .................................................................................... 84
3.2.6 權限管理 .................................................................................... 85
3.2.7 配額管理 .................................................................................... 89
3.2.8 文件鎖的原理 ............................................................................ 91
3.2.9 擴展屬性與 ADS ....................................................................... 92
3.2.10 其他技術簡介 .......................................................................... 94
3.3 常見本地文件系統簡介 ........................................................................ 95
3.3.1 ExtX 文件系統 ........................................................................... 95
3.3.2 XFS 文件系統 ............................................................................ 95
3.3.3 ZFS 文件系統 ............................................................................ 96
3.3.4 Btrfs 文件系統 ........................................................................... 97
3.3.5 FAT 文件系統 ............................................................................ 98
3.3.6 NTFS 文件系統 ......................................................................... 98
第 4 章 從理論到實戰——Ext2 文件系統代碼詳解 ................................................. 99
4.1 本地文件系統的分析方法與工具 ........................................................ 99
4.1.1 基于文件構建文件系統 .......................................................... 100
4.1.2 了解函數調用流程的利器 ...................................................... 100
4.2 從 Ext2 文件系統磁盤布局說起 ......................................................... 102
4.2.1 Ext2 文件系統整體布局概述 .................................................. 102
4.2.2 超級塊（SuperBlock） ........................................................... 103
4.2.3 塊組描述符（Block Group Descriptor） ................................ 106
4.2.4 塊位圖（Block Bitmap） ........................................................ 108
4.2.5 inode 位圖（inode Bitmap） ................................................... 109
4.2.6 inode 與 inode 表 ..................................................................... 109
4.3 Ext2 文件系統的根目錄與目錄數據布局 .......................................... 113
4.4 Ext2 文件系統的掛載 .......................................................................... 116
4.5 如何創建一個文件 .............................................................................. 117
4.5.1 創建普通文件 .......................................................................... 118
4.5.2 創建軟硬鏈接 .......................................................................... 121
4.5.3 創建目錄 .................................................................................. 125
4.6 Ext2 文件系統刪除文件的流程 .......................................................... 125
4.7 Ext2 文件系統中文件的數據管理與寫數據流程 .............................. 129
4.7.1 Ext2 文件系統中的文件數據是如何管理的 .......................... 129
4.7.2 從 VFS 到 Ext2 文件系統的寫流程........................................ 130
4.7.3 不同寫模式的流程分析 .......................................................... 134
4.7.4 緩存數據刷寫及流程 .............................................................. 138
4.8 讀數據的流程分析 .............................................................................. 140
4.8.1 緩存命中場景 .......................................................................... 141
4.8.2 非緩存命中場景 ...................................................................... 142
4.8.3 數據預讀邏輯 .......................................................................... 143
4.9 如何分配磁盤空間 .............................................................................. 148
4.9.1 計算存儲路徑 .......................................................................... 150
4.9.2 獲取存儲路徑 .......................................................................... 152
4.9.3 分配磁盤空間 .......................................................................... 153
4.10 Ext2 文件系統的擴展屬性 ................................................................ 154
4.10.1 Ext2 文件系統擴展屬性是怎么在磁盤存儲的 .................... 154
4.10.2 設置擴展屬性的 VFS 流程 ................................................... 157
4.10.3 Ext2 文件系統擴展屬性接口實現 ........................................ 159
4.11 權限管理代碼解析 ............................................................................ 163
4.11.1 ACL 的設置與獲取 ............................................................... 163
4.11.2 ACL 權限檢查 ....................................................................... 164
4.12 文件鎖代碼解析 ................................................................................ 165
4.12.1 flock()函數的內核實現 ......................................................... 165
4.12.2 fcntl()函數的內核實現 .......................................................... 167
第 5 章 基于網絡共享的網絡文件系統 ................................................................... 172
5.1 什么是網絡文件系統 .......................................................................... 172
5.2 網絡文件系統與本地文件系統的異同 .............................................. 174
5.3 常見的網絡文件系統簡析 .................................................................. 174
5.3.1 NFS 文件系統 .......................................................................... 174
5.3.2 SMB 協議與 CIFS 協議 .......................................................... 175
5.4 網絡文件系統關鍵技術 ...................................................................... 175
5.4.1 遠程過程調用（RPC 協議） .................................................. 176
5.4.2 客戶端與服務端的語言——文件系統協議 ........................... 177
5.4.3 文件鎖的網絡實現 .................................................................. 178
5.5 準備學習環境與工具 .......................................................................... 179
5.5.1 搭建一個 NFS 服務 ................................................................. 179
5.5.2 學習網絡文件系統的利器 ...................................................... 180
5.6 網絡文件系統實例 .............................................................................. 181
5.6.1 NFS 文件系統架構及流程簡析 .............................................. 181
5.6.2 RPC 協議簡析 .......................................................................... 185
5.6.3 NFS 協議簡析 .......................................................................... 186
5.6.4 NFS 協議的具體實現 .............................................................. 191
5.7 NFS 服務端及實例解析 ...................................................................... 203
5.7.1 NFSD ........................................................................................ 203
5.7.2 NFS-Ganesha ............................................................................ 210
第 6 章 提供橫向擴展的分布式文件系統 ............................................................... 216
6.1 什么是分布式文件系統 ...................................................................... 216
6.2 分布式文件系統與網絡文件系統的異同 .......................................... 217
6.3 常見分布式文件系統 .......................................................................... 217
6.3.1 GFS ........................................................................................... 218
6.3.2 CephFS ..................................................................................... 219
6.3.3 GlusterFS .................................................................................. 219
6.4 分布式文件系統的橫向擴展架構 ...................................................... 220
6.4.1 中心架構 .................................................................................. 220
6.4.2 對等架構 .................................................................................. 221
6.5 分布式文件系統的關鍵技術 .............................................................. 222
6.5.1 分布式數據布局 ...................................................................... 222
6.5.2 分布式數據可靠性（Reliability）.......................................... 224
6.5.3 分布式數據一致性（Consistency） ....................................... 228
6.5.4 設備故障與容錯（Fault Tolerance） ...................................... 229
6.6 分布式文件系統實例之 CephFS ........................................................ 230
6.6.1 搭建一個 CephFS 分布式文件系統 ....................................... 230
6.6.2 CephFS 分布式文件系統架構簡析 ........................................ 231
6.6.3 CephFS 客戶端架構 ................................................................ 234
6.6.4 CephFS 集群端架構 ................................................................ 236
6.6.5 CephFS 數據組織簡析 ............................................................ 239
6.6.6 CephFS 文件創建流程解析 .................................................... 244
6.6.7 CephFS 寫數據流程解析 ........................................................ 251
6.7 分布式系統實例之 GlusterFS ............................................................. 253
6.7.1 GlusterFS 的安裝與使用 ......................................................... 253
6.7.2 GlusterFS 整體架構簡析 ......................................................... 257
6.7.3 轉換器與轉換器樹 .................................................................. 259
6.7.4 GlusterFS 數據分布與可靠性 ................................................. 263
6.7.5 GlusterFS 客戶端架構與 I/O 流程 .......................................... 268
6.7.6 GlusterFS 服務端架構與 I/O 流程 .......................................... 270
第 7 章 百花爭艷——文件系統的其他形態 ............................................................ 272
7.1 用戶態文件系統框架 .......................................................................... 272
7.1.1 Linux 中的用戶態文件系統框架 Fuse ................................... 272
7.1.2 Windows 中的用戶態文件系統框架 Dokany ......................... 279
7.2 對象存儲與常見實現簡析 .................................................................. 282
7.2.1 從文件系統到對象存儲 .......................................................... 282
7.2.2 S3 對象存儲簡析 ..................................................................... 287
7.2.3 Haystack 對象存儲簡析 .......................................................... 288
參考文獻 ....................................................................................................................... 295
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