從 lsof 開始，深入理解 Linux 虛擬文件系統

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背景

有時會出現這樣的情況，磁盤空間顯示已經被占滿，但是在查看磁盤的具體文件占用情況時，發(fā)現磁盤仍然有很大的空余空間。
1.執(zhí)行df命令查看磁盤使用情況，發(fā)現磁盤已經滿了。
-bash-4.2$?df?-ThFilesystem?????Type??????Size??Used?Avail?Use%?Mounted?on/dev/vda1??????ext4???????30G????30G?0?????????100%?/devtmpfs???????devtmpfs??489M?????0??489M???0%?/devtmpfs??????????tmpfs?????497M?????0??497M???0%?/dev/shmtmpfs??????????tmpfs?????497M???50M??447M??11%?/runtmpfs??????????tmpfs?????497M?????0??497M???0%?/sys/fs/cgroup

2.執(zhí)行 du 命令查看各個目錄的磁盤占用情況，把各個目錄文件的大小相加，發(fā)現并沒有占滿磁盤，有10多G空間莫名失蹤。

-bash-4.2$?du?-h?--max-depth=1?/home16M????/home/logs11G????/home/serverdog11G????/home

3.為何會出現這樣的情況呢？
因為雖然文件已被刪除，但是一些進程仍然打開這些文件，因此其占用的磁盤空間并沒有被釋放。執(zhí)行lsof?命令顯示打開已刪除的文件。將有問題的進程重啟（或，清空），磁盤空間就會得到釋放。
-bash-4.2#?lsof?|?grep?deletemysqld?????2470?????????mysql????4u??????REG??????????????253,1???????????0?????523577?/var/tmp/ibfTeQFn?(deleted)mysqld?????2470?????????mysql????5u??????REG??????????????253,1???????????0?????523579?/var/tmp/ibaHcIdW?(deleted)mysqld?????2470?????????mysql????6u??????REG??????????????253,1???????????0?????523581?/var/tmp/ibLjiALu?(deleted)mysqld?????2470?????????mysql????7u??????REG??????????????253,1???????????0?????523585?/var/tmp/ibCFnzTB?(deleted)mysqld?????2470?????????mysql???11u??????REG??????????????253,1???????????0?????523587?/var/tmp/ibCjuqva?(deleted)
那么，linux 的文件系統，到底為什么這么設計呢？要了解這些，就要先弄清楚并不容易，下面將從一些基本概念入手，一步步將這些梳理清楚：

  • 什么是虛擬文件系統（VFS：virtual filesystem）？

  • 什么是通用文件模型？

    • 超級塊對象（superblock object）

    • 索引節(jié)點對象（inode object）

    • 文件對象（file object）

    • 目錄項對象（dentry object）

    • 文件的概念

  • 文件的表達

    • 內存表達

    • 磁盤表達

  • 目錄樹的構建

    • 軟鏈接 vs 硬鏈接

  • 文件 & 磁盤管理

    • 索引節(jié)點狀態(tài)

  • 文件 & 進程管理

    • 操作：

      打開&刪除

虛擬文件系統（virtual filesystem）

下圖顯示了 Linux 操作系統中負責文件管理的基本組件。上半區(qū)域為用戶模式，下半區(qū)域為內核模式。應用程序使用標準庫libc來訪問文件，庫將請求映射到系統調用，以便進入內核模式。

從 lsof 開始，深入理解 Linux 虛擬文件系統

所有與文件相關的操作的入口都是虛擬文件系統（VFS），而非特定的額文件系統（如Ext3、ReiserFS和NFS）。VFS 提供了系統庫和特定文件系統之間的接口。因此，VFS 不僅充當抽象層，而且實際上它提供了一個文件系統的基本實現，可以由不同的實現來使用和擴展。因此，要了解文件系統是如何工作的，就要先了解VFS 。

通用文件模型

VFS 的主要思想在于引入了一個通用文件模型（common file model）。通用文件模型由以下對象類型組成：

超級塊對象（superblock object）

內存：文件系統安裝時創(chuàng)建，存放文件系統的有關信息
磁盤：對應于存放在磁盤上的文件系統控制塊（filesystem control block）

索引節(jié)點對象（inode object）

內存：訪問時創(chuàng)建，存放關于具體文件的一般信息（inode 結構）
磁盤：對應于存放在磁盤上的文件控制塊（file control block）
每個索引節(jié)點對象都有一個索引節(jié)點號，唯一地標識文件系統的文件

文件對象（file object）

內存：打開文件時創(chuàng)建，存放 打開文件 與進程之間進行交互的有關信息（file 結構）
打開文件信息，僅當進程訪問文件期間存在于內核內存中。

目錄項對象（dentry object）

內存：目錄項一旦被讀入內存，VFS就會將其轉換成dentry 結構的目錄項對象
磁盤：特定文件系統以特定的方式存儲在磁盤上
存放目錄項（即，文件名稱）與對應文件進行鏈接的有關信息

目錄樹

綜合來說，Linux 的 根文件系統(system’s root filessystem) 是內核啟動mount的第一個文件系統。內核代碼映像文件保存在根文件系統中，而系統引導啟動程序會在根文件系統掛載之后，從中把一些基本的初始化腳本和服務等加載到內存中去運行（文件系統和內核是完全獨立的兩個部分）。其他文件系統，則后續(xù)通過腳本或命令作為子文件系統安裝在已安裝文件系統的目錄上，最終形成整個目錄樹。

start_kernel?　　vfs_caches_init?　　　　mnt_init?　　　　　　init_rootfs?????//?注冊rootfs文件系統　　　　　　init_mount_tree?//?掛載rootfs文件系統?　　…?　　rest_init?　　kernel_thread(kernel_init,?NULL,?CLONE_FS);
就單個文件系統而言，在文件系統安裝時，創(chuàng)建超級塊對象；沿樹查找文件時，總是首先從初識目錄的中查找匹配的目錄項，以便獲取相應的索引節(jié)點，然后讀取索引節(jié)點的目錄文件，轉化為dentry對象，再檢查匹配的目錄項，反復執(zhí)行以上過程，直至找到對應的文件的索引節(jié)點，并創(chuàng)建索引節(jié)點對象。

軟鏈接 vs 硬鏈接

軟鏈接是一個普通的文件，其中存放的是另外一個文件的路徑名。硬鏈接則指向同一個索引節(jié)點，硬鏈接數記錄在索引節(jié)點對象的 i_nlink 字段。當i_nlink字段為零時，說明沒有硬鏈接指向該文件。

文件 & 進程管理

下圖是一個簡單示例，說明進程是怎樣與文件進行交互。三個不同進程打開同一個文件，每個進程都有自己的文件對象，其中兩個進程使用同一個硬鏈接（每個硬鏈接對應一個目錄對象），兩個目錄項對象都指向同一個 索引節(jié)點對象。

從 lsof 開始，深入理解 Linux 虛擬文件系統

索引節(jié)點的數據又由兩部分組成：內存數據和磁盤數據。Linux 使用 Write back 作為索引節(jié)點的數據一致性策略。對于索引節(jié)點的數據，當文件被打開時，才會加載索引節(jié)點到內存；當不再被進程使用，則從內存踢出；如果中間有更新，則需要把數據寫回磁盤。
*??"in_use"?-?valid?inode,?i_count?>?0,?i_nlink?>?0*??"dirty"??-?as?"in_use"?but?also?dirty*??"unused"?-?valid?inode,?i_count?=?0
索引節(jié)點是否仍在使用，是通過?open()?和?close()?操作建立和銷毀文件對象，文件對象通過索引節(jié)點提供的?iget?和?iput??更新索引節(jié)點的i_count字段，以完成使用計數。open 操作使得 i_count 加一， close 操作使得 i_count 減一。在 close 操作時判斷索引節(jié)點是否釋放，如果 i_count = 0，則意味著不再有進程引用，將會從內存釋放。

文件 & 磁盤管理

文件與磁盤管理聯系最緊密的操作，莫過于touch和rm操作，而尤以后者最為關鍵。通過strace(或 dtruss)，查看 rm 的實際的系統調用

#?dtruss?rm?tmp...geteuid(0x0,?0x0,?0x0)?????????=?0?0ioctl(0x0,?0x4004667A,?0x7FFEE06F09C4)?????????=?0?0lstat64("tmp

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