linux 文件操作性能：Linux虚拟文件系统的知识

linux 文件操作性能：Linux虚拟文件系统的知识VFS文件系统采用了文件数据延迟写的技术。在调用系统接口写数据时没有使用同步写模式，而是先保存在缓存中，等满足条件时，才将数据刷入磁盘中。VFS中引入了高速磁盘缓存机制，允许内核将原本存在的磁盘上的某些信息保存在RAM中，以便这些数据的进一步访问快速进行，而不必慢速访问磁盘本身。通过虚拟文件系统，只需提供一套统一的接口给用户即可，如read/write/close/open等。用户无须了解底层使用的是什么文件系统，由内核通过虚拟文件系统进行统一操作。嵌入式进阶教程分门别类整理好了，看的时候十分方便，由于内容较多，这里就截取一部分图吧。需要的朋友私信【内核】即可领取

要想优化系统性能，那么必须了解系统的原理，然后在其原理的基础上，对系统或应用程序进行性能优化。今天讲的内容是：linux虚拟文件系统的知识。

0 背景

linux系统中，使用了VFS（virtual file system）虚拟文件系统。

VFS的主要基本功能：

1. 兼容linux中的不同文件系统
2. 高速磁盘缓存(三类：目录项/索引节点/数据页)
3. 文件数据延迟写技术

一，兼容不同文件系统

在linux中有不同的文件系统，如ext2 ext3 xfs ntfs jfs等，为了兼容不同的文件系统，并为应用层提供一个通用接口，采用了虚拟文件系统的方法。

通过虚拟文件系统，只需提供一套统一的接口给用户即可，如read/write/close/open等。用户无须了解底层使用的是什么文件系统，由内核通过虚拟文件系统进行统一操作。

嵌入式进阶教程分门别类整理好了，看的时候十分方便，由于内容较多，这里就截取一部分图吧。

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二，高速磁盘缓存

VFS中引入了高速磁盘缓存机制，允许内核将原本存在的磁盘上的某些信息保存在RAM中，以便这些数据的进一步访问快速进行，而不必慢速访问磁盘本身。

2.1缓存分为三类

• 目录项高速缓存： 存放描述文件系统路径名的目录项对象。(buffers)
• 索引节点高速缓存：存放描述磁盘索引节点的索引节点对象。(buffers)
• 页高速缓存： 存放完整的数据页对象，每个页所包含的数据一定属于某个文件，同时所有的文件读写操作都依赖于页高速缓存。是linux内核所使用的主要磁盘高速缓存。(cached)

三，文件延迟写技术

VFS文件系统采用了文件数据延迟写的技术。在调用系统接口写数据时没有使用同步写模式，而是先保存在缓存中，等满足条件时，才将数据刷入磁盘中。

脏页：进程修改了缓存中的数据，相应的页标记为脏页pg_dirty。即未被同步回磁盘的页。

3.1 数据刷入磁盘条件

• 文件大小超出缓存大小：页高速缓存已满，还需要更多的页，或脏页的数量已经太多。
• 时间片到达：从页变成脏页以来已过去太长时间
• 主动刷新： 进程请求对块设备或者特定文件任何待定的变化都进行刷新。通过调用sync()、fsync()或者fdatasync()系统调用来实现。

四，free命令

free命令：显示当前已使用和未使用的内存，包括：物理内存，swap内存，buffers，cached。

4.1 Mem物理内存

第一行用全局角度描述系统使用的内存状况：

• total：总物理内存
• used：已使用物理内存，包括：buffers cached 应用程序使用内存
• free：完全未被使用的物理内存
• shared：应用程序共享内存
• buffers：缓存，主要用于目录方面 inode值等（ls大目录可看到这个值增加）
• cached：缓存，用于已打开的文件 (打开大文件可以看到变化)

公式一：total = used free

eg: 16471080 = 13939496 2531584

公式二：used = buffers cached 进程使用内存

eg: 13939496 = 1404 5474748 8463344

4.2 应用程序的内存使用

第二行描述应用程序的内存使用：

前个值表示-buffers/cache——应用程序使用的内存大小，used减去缓存值

后个值表示 buffers/cache——所有可供应用程序使用的内存大小，free加上缓存值

应用程序已使用内存

-buffers/cache=used-buffers-cached

eg: 8463344 = 13939496 - 1404 - 5474748

应用程序可使用内存
buffers/cache=free buffers cached

eg: 8007739 = 2531584 1404 5474748

4.3 交换内存swap

4.3.1 什么时候交换内存

当发生分页回收时，在非活跃列表中属于进程地址空间的候选分页可以被移出。目的是保证主内存的分配。linux中使用交换技术能够更有效地使用空间。

虚拟内存由物理内存和磁盘子系统或swap分区组成。如果在linux中虚拟内存管理器发现内存分页已经被分配，但是大量时间还没有使用完，它会将这个内存分页移到swap空间。

第三行表示swap的使用：
used——已使用
free——未使用

五，性能优化

与文件系统打交道的，一般都是磁盘，磁盘的效率可以说是最差的（CPU>CPU缓存>内存>磁盘）， 但是在开发时，处处离不开磁盘，如读写文件、打印日志等。都是在涉及到磁盘的操作，在性能优化中，磁盘的优化是非常重要的一环。

5.1系统参数调优

脏页背景阈值调整：当脏页数据还达到阈值将会刷新磁盘。正常是10%写入磁盘，修改文件/proc/sys/vm/dirty_background_ratio来调整该值。

脏页刷新定时器调整：当页高速缓存中有脏页，且很久没刷新时，由wb_timer动态定时器刷新。通常是500分之一秒，不过可以通过修改/proc/sys/vm/dirty_writeback_centisecs文件调整该值

其他的参数，请查看： /proc/sys/vm/dirty_* 中的文件

5.2 应用程序性能优化

在就用程序中，如果涉及到磁盘的操作，比如：数据库，本地文件等。可以在中间添加一层缓存，也可直接用缓存数据库等，避免直接接作磁盘。

1. 在架构设计时，添加一个缓存层(redis/memcached/直接内存)等
2. 把数据放在缓存层中
3. 采用定时刷新的方法，把更改未同步的数据刷新到数据库或本地文件
4. 如果重要的数据，可直接刷新缓存后同步

六，总结

目前的系统架构设计中，都会添加缓存层，因为缓存层的效率非常高，对于高并发的设计更是如些。因此缓存的思想是非常重要的。

今天的分享到这，如果有写的有错误的地方，欢迎指正。同时希望志同道合的人一起来交流，进步。