檔案系統是對儲存裝置上的檔案，進行組織管理的一種機制。而Linux在各種檔案系統實現上，又抽象了一層虛擬檔案系統VFS，它定義的一組所有檔案系統都支援的資料結構和標準介面。

這樣，對應用程式來說，只需要跟VFS提供的統一介面互動，而不需要關注檔案系統的具體實現；對具體的檔案來說，只需要按照VFS的標準，就可以無縫支援各種應用程式。

VFS內部又通過目錄項、索引節點、邏輯塊以及超級邏輯塊等資料結構，來管理檔案。

• 目錄項：記錄了檔案的名字，以及檔案與其他目錄項之間的目錄關係
• 索引節點：記錄了檔案的元資料
• 邏輯塊：是由連線磁碟扇區構成的最小邏輯單元，用來儲存檔案資料
• 超級塊：用來記錄檔案系統整體的狀態，如索引節點和邏輯塊的使用情況等。

其中，目錄項是一個記憶體快取；而超級塊、索引節點和邏輯塊都是儲存在磁碟的持久化資料。

磁碟

磁碟是可以持久化儲存的裝置，根據儲存介質的不同，常見磁碟可以分為兩類：機械磁碟和固態磁碟。

第一類，機械磁碟，也稱為硬碟驅動器（Hard Disk Driver），通常縮寫為 HDD。機械磁碟主要由碟片和讀寫磁頭組成，資料就儲存在碟片的環狀磁軌中。在讀寫資料前，需要移動讀寫磁頭，定位到資料所在的磁軌，然後才能訪問資料。

顯然，如果 I/O 請求剛好連續，那就不需要磁軌定址，自然可以獲得最佳效能。這其實就是我們熟悉的，連續 I/O 的工作原理。與之相對應的，當然就是隨機 I/O，它需要不停地移動磁頭，來定位資料位置，所以讀寫速度就會比較慢。

第二類，固態磁碟（Solid State Disk），通常縮寫為 SSD，由固態電子元器件組成。固態磁碟不需要磁軌定址，所以，不管是連續 I/O，還是隨機 I/O 的效能，都比機械磁碟要好得多。

其實，無論機械磁碟，還是固態磁碟，相同磁碟的隨機 I/O 都要比連續 I/O 慢很多，原因也很明顯。

• 對機械磁碟來說，我們剛剛提到過的，由於隨機 I/O 需要更多的磁頭尋道和碟片旋轉，它的效能自然要比連續 I/O 慢。
• 而對固態磁碟來說，雖然它的隨機效能比機械硬碟好很多，但同樣存在“先擦除再寫入”的限制。隨機讀寫會導致大量的垃圾回收，所以相對應的，隨機 I/O 的效能比起連續 I/O 來，也還是差了很多。
• 此外，連續 I/O 還可以通過預讀的方式，來減少 I/O 請求的次數，這也是其效能優異的一個原因。很多效能優化的方案，也都會從這個角度出發，來優化 I/O 效能。

此外，機械磁碟和固態磁碟還分別有一個最小的讀寫單位。

• 機械磁碟的最小讀寫單位是扇區，一般大小為 512 位元組。
• 而固態磁碟的最小讀寫單位是頁，通常大小是 4KB、8KB 等。

如果每次都讀寫 512 位元組這麼小的單位的話，效率很低。所以，檔案系統會把連續的扇區或頁，組成邏輯塊，然後以邏輯塊作為最小單元來管理資料。常見的邏輯塊的大小是 4KB，也就是說，連續 8 個扇區，或者單獨的一個頁，都可以組成一個邏輯塊。

通用塊層

跟虛擬檔案系統 VFS 類似，為了減小不同塊裝置的差異帶來的影響，Linux 通過一個統一的通用塊層，來管理各種不同的塊裝置。

通用塊層，其實是處在檔案系統和磁碟驅動中間的一個塊裝置抽象層。它主要有兩個功能 。

第一個功能跟虛擬檔案系統的功能類似。向上，為檔案系統和應用程式，提供訪問塊裝置的標準介面；向下，把各種異構的磁碟裝置抽象為統一的塊裝置，並提供統一框架來管理這些裝置的驅動程式。

第二個功能，通用塊層還會給檔案系統和應用程式發來的 I/O 請求排隊，並通過重新排序、請求合併等方式，提高磁碟讀寫的效率。

其中，對 I/O 請求排序的過程，也就是我們熟悉的 I/O 排程。事實上，Linux 核心支援四種 I/O 排程演算法，分別是 NONE、NOOP、CFQ 以及 DeadLine。

第一種 NONE ，更確切來說，並不能算 I/O 排程演算法。因為它完全不使用任何 I/O 排程器，對檔案系統和應用程式的 I/O 其實不做任何處理，常用在虛擬機器中（此時磁碟 I/O 排程完全由物理機負責）。

第二種 NOOP ，是最簡單的一種 I/O 排程演算法。它實際上是一個先入先出的佇列，只做一些最基本的請求合併，常用於 SSD 磁碟。

第三種 CFQ（Completely Fair Scheduler），也被稱為完全公平排程器，是現在很多發行版的預設 I/O 排程器，它為每個程序維護了一個 I/O 排程佇列，並按照時間片來均勻分佈每個程序的 I/O 請求。類似於程序 CPU 排程，CFQ 還支援程序 I/O 的優先順序排程，所以它適用於執行大量程序的系統，像是桌面環境、多媒體應用等。

最後一種 DeadLine 排程演算法，分別為讀、寫請求建立了不同的 I/O 佇列，可以提高機械磁碟的吞吐量，並確保達到最終期限（deadline）的請求被優先處理。DeadLine 排程演算法，多用在 I/O 壓力比較重的場景，比如資料庫等。

I/O 棧

清楚了磁碟和通用塊層的工作原理，我們就可以整體來看 Linux 儲存系統的 I/O 原理了。我們可以把 Linux 儲存系統的 I/O 棧，由上到下分為三個層次，分別是檔案系統層、通用塊層和裝置層。這三個 I/O 層的關係如下圖所示，這其實也是 Linux 儲存系統的 I/O 棧全景圖。

根據這張 I/O 棧的全景圖，可以更清楚地理解，儲存系統 I/O 的工作原理。

• 檔案系統層，包括虛擬檔案系統和其他各種檔案系統的具體實現。它為上層的應用程式，提供標準的檔案訪問介面；對下會通過通用塊層，來儲存和管理磁碟資料。
• 通用塊層，包括塊裝置 I/O 佇列和 I/O 排程器。它會對檔案系統的 I/O 請求進行排隊，再通過重新排序和請求合併，然後才要傳送給下一級的裝置層。
• 裝置層，包括儲存裝置和相應的驅動程式，負責最終物理裝置的 I/O 操作。儲存系統的 I/O ，通常是整個系統中最慢的一環。

所以， Linux 通過多種快取機制來優化 I/O 效率。比方說，為了優化檔案訪問的效能，會使用頁快取、索引節點快取、目錄項快取等多種快取機制，以減少對下層塊裝置的直接呼叫。

同樣，為了優化塊裝置的訪問效率，會使用緩衝區，來快取塊裝置的資料。