概述

  • 参考文档：Arch Wiki: File systems

  • 文件系统是组织存储设备上数据的一套数据结构与算法，Linux 通过 VFS 给上层一套统一接口

  • 层次结构：

    flowchart LR
  A["应用程序"] --> B["VFS"]
  B --> C["ext4 / xfs / btrfs"]
  B --> D["FUSE(用户态)"]
  B --> E["NFS / 9p(网络)"]
  C & D & E --> F["页缓存与块设备"]

  • “一切皆文件”：普通文件、目录、设备节点、管道、socket、procfs里的内核状态，都走open/read/write这一套

VFS 与 inode

  • VFS 的四个核心对象：
    • superblock：一个已挂载文件系统的实例
    • inode：文件的元数据(权限、大小、时间戳、数据块指针)，inode 里没有文件名
    • dentry：目录项，把文件名映射到 inode，串成目录树
    • file：进程打开文件后的实例，含读写偏移
  • 硬链接是同一 inode 的多个 dentry，软链接是存目标路径的特殊文件，基础操作见文件系统
  • 小文件海量场景会"有空间没 inode"：df -i看 inode 余量，df -h看空间余量，两个都要看

主流文件系统

  • ext4：
    • 日志型，发行版最稳妥的默认，e4defrag可做在线碎片整理
    • 日志默认只保证元数据一致(data=ordered)，断电后结构完整但文件内容可能缺尾
  • xfs：
    • RHEL 系默认，擅长大文件与高并发，分配组带来并行扩展性
    • 只支持扩容(xfs_growfs)不支持收缩，规划容量时想清楚
  • btrfs：
    • CoW(写时复制)型：快照、压缩(compress=zstd)、子卷、数据校验、多设备一体化
    • CoW 带来写放大，数据库等重随机写负载注意nodatacow逃生门
    • openSUSE 与 CachyOS 的默认选择
  • f2fs：为闪存量身设计的日志结构文件系统，手机与嵌入式常见
  • zfs：功能最全的 CoW 系，CDDL 许可与 GPL 不兼容，只能以外部模块加载
  • 互操作格式：ntfs3(内核原生可写 NTFS)、exfat与vfat(U 盘与 EFI 分区)、iso9660(光盘镜像)
  • 伪文件系统：proc、sysfs、tmpfs(内存盘，/tmp常见)、devtmpfs，只存在于内存不落盘
  • overlayfs：把只读层与可写层叠加，容器镜像与不可变发行版的基石

挂载

  • 手动挂载与卸载：

    console
    $ mount -t btrfs -o compress=zstd /dev/nvme0n1p2 /mnt/data
$ umount /mnt/data
    • 设备用UUID=或LABEL=指定，比/dev/sda1可靠，盘序会变而 UUID 不会
    • mount -o remount,rw /运行中改挂载选项
    • umount报target is busy时用lsof +D 挂载点找占用者，详见Linux 进程管理命令

  • 开机挂载写/etc/fstab：

    fstab
    # <设备>            <挂载点>   <类型>   <选项>                    <dump> <pass>
UUID=XXXX-XXXX      /boot/efi  vfat    defaults,umask=0077       0      2
UUID=uuid-of-root   /          btrfs   subvol=/@,compress=zstd   0      1
/swapfile           none       swap    sw                        0      0
tmpfs               /tmp       tmpfs   defaults,nosuid,nodev     0      0
    • pass列：1给需要fsck的根分区，2给其它要检查的，0跳过
    • 写完先findmnt --verify校验，fstab 写错会导致开机进紧急模式

  • 常用挂载选项：noatime不更新访问时间(性能常用)、ro只读、user允许普通用户挂载、umask控制权限掩码

相关命令

  • 查看现状：

    console
    $ lsblk -f            # 设备树 + 文件系统与 UUID
$ findmnt             # 当前挂载表，比裸 cat /proc/mounts 友好
$ df -T               # 占用与类型
$ du -sh 目录          # 目录占用

  • 创建与检查：

    • mkfs.ext4 /dev/sdX2、mkfs.btrfs -L data /dev/sdX2建文件系统，分区用fdisk或parted
    • fsck.ext4 -f修复(需先卸载)、xfs_repair、btrfs check

  • btrfs 日常：

    console
    $ btrfs subvolume create /mnt/data/@snap      # 建子卷
$ btrfs subvolume snapshot /mnt/data/@snap /mnt/data/@snap-1017   # 快照是 O(1) 的
$ btrfs subvolume list /mnt/data
$ btrfs filesystem usage /mnt/data            # 比 df 准确

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