文件系统的演进过程

[GarinZ]

想要系统了解文件系统，还是得先从硬盘这个硬件说起

硬盘

机械硬盘

机械硬盘由盘片、主轴、磁头臂组成。无论是否有IO操作，盘片都需要由主轴带动盘片高速旋转，目的是靠磁盘旋转时带动的气流，让磁头在进行IO时能够悬浮在盘片上方。悬浮的目的是为了避免磁头和盘片接触导致磁头与磁盘损坏。它的存储原理就是，数据存储在具有磁性特质的盘片上。
那为什么都说机械硬盘慢，因为机械硬盘在做IO操作时，磁头臂移动到盘片的磁道上，通过磁头读取磁道上的数据。而移动磁头是一个机械动作，需要花费数毫秒时间，因此机械硬盘慢一些。
其实在说机械磁盘慢的时候，必须要考虑IO是顺序还是随机读写，随机读写也就是硬盘数据在硬盘上不连续，那么磁头就需要来回移动，就会花费更长的时间。而顺序读写，说明文件数据连续，比如日志文件，那么磁头就可以减少移动，读写时间就会很短

固态硬盘

固态硬盘由主控芯片、闪存、外置缓存颗粒、PCB板、外壳组成

• 主控芯片：相当于固态硬盘的CPU，控制内部运算
• 闪存：存储内容
• 外置缓存：有些有、有些没有。有的集成在主控中
• SLC缓存：提供固态硬盘爆发速度的技术
• PCB板：类似于主板，用于集成主控、闪存、外置缓存。
• 外壳：铁壳或塑料壳

固态硬盘的物理原理

SLC 闪存有 0 和 1 两种状态，可以表示 1 bit 数据；MLC 闪存有 11、10、01 和 00 等 4 种状态，可以表示 2 bit 数据；TLC 闪存有 111、110、101、100、011、010、001 和 000 等 8 种状态，可以表示 3 bit 数据
闪存颗粒原理很复杂，简单点说就是闪存颗粒如果要数据读写，需要将电子穿过一个类似电容的场，不然电子乱跑，加电压以后电子顺着场做运动穿过电容中间的二氧化硅，然后读写数据。就像一道水闸，加电压水闸降低，水就流过去了

但固态硬盘也是有寿命限制的，闪存单元每次编程或擦除的电子穿越过程都会导致硅氧化物的损耗。这东西本来就只有区区 10 nm 的厚度，每进行一次电子穿越就会变薄一些。也正因为如此，硅氧化物越来越薄，耐用性自然就更差了。SLC 的电压状态最少，可以容忍电压的更大变化，MLC 的 4 种状态也基本可以接受，TLC 的 8 种就太多了，电压可变余地很小。在不清楚确切的所需电压之时，就不得不将同样的电压分成 8 份（SLC 和 MLC 分别只要 2 份和 4 份）。在使用过程中，编程和擦写一个 TLC 闪存单元所需要的时间也越来越长，最终达到严重影响性能、无法接受的地步，闪存区块也就废了。

所以固态硬盘快是因为相比机械硬盘，固态硬盘没有机械操作，全是电子操作，所以就快。

文件系统

文件系统是操作系统的重要组成部分，是操作系统中用于和硬盘进行交互，使得软件得以对硬盘数据进行读写访问的程序。文件系统将硬盘以块(data block)为单位进行划分，每个文件占据若干个块(data block)，通过文件控制块(File Control Block, FCB)记录文件占据的硬盘data block。在Linux系统中FCB是inode，想要访问文件，就必须获得文件的inode，然后在inode中查找文件的block索引，定位文件data block，然后才能完成读写。所以，数据存储在硬盘上，文件系统用data block来组织，大小为4KB，用地址来标记，用索引来寻址。inode就是用来记录索引的容器。

inode - 索引节点

inode分为两部分，用户数据(user data)和元数据(meta data)
meta data：包含inode编号、权限、所有者、文件大小、时间。注意：不包含文件名
user data：在inode中通过索引来组织数据，一共包含15个索引。结构包含：data block地址和索引表，每个索引表可以记录256个索引

• 直接数据块指针：前12个索引(下标为0-11)，直接记录数据块地址
• 一级间接索引表指针：第13个索引(下标为12)，记录另一个索引表地址，指向另一个索引表。
• 二级间接索引表指针：第14个索引(下标为13)，记录二级索引地址
• 三级间接索引表指针：第15个索引(下标为14)，记录三级索引地址

inode大小固定，因此1个inode可以寻址的最大文件大小 = 可寻址data block数 * data block大小 = (12 + 256 + 256^2 + 256^3) * 4KB ≈ 64GB

独立硬盘冗余阵列(Redundant Array of Independent Disks, RAID)

RAID是通过硬件RAID卡或软件RAID对多个硬盘进行管理，并统一对外提供服务的技术。
为什么要引入RAID这个技术，主要是因为以下原因:

• 既然文件系统是将数据写入硬盘中的不同data block，那么可以将多个硬盘看作一个整体，这样就可以解决以下问题
• 提高读写速度，解决IO瓶颈：进行数据读写时，对多个硬盘进行并行读写
• 解决存储瓶颈：使用多个硬盘可以存储更多数据
• 提高可用性：对相同数据在不同硬盘写入多份作为备份，其中一个硬盘损坏仍然能保证数据可用

RADI的现有方案

RAID0
将数据分成N片，向N个硬盘并行写入，优点是容量扩大N倍，读写速度扩大N倍。缺点是单个磁盘损坏就会导致文件不可用
RAID1
用两块硬盘互为备份，并行写入。优点是提高可用性，单个硬盘损坏，文件仍可用。缺点是硬盘利用率为50%，资源浪费
RAID10
结合RAID0和RAID1，将现有N个硬盘两两分组，同一组的互为备份，并行写入。优点是容量扩大N/2倍，读写速度扩大N/2倍，可用性提高1倍。缺点是硬盘利用率为50%，资源浪费
RAID5
现有N个硬盘，将数据分为N - 1片，通过对N - 1个数据片做位运算，计算出一片校验数据，将N片数据并行写入N个硬盘。计算校验数据的算法设计上必须要做到：当其中一个数据片丢失时，可以通过校验数据和其他数据片计算出丢失的数据片，进行数据恢复。优点是容量扩大N-1倍，读写速度约扩大N-1倍，硬盘利用率为(N - 1) / N。缺点是需要先根据N - 1个数据片做校验数据片的计算，消耗一定CPU资源和时间
RAID6
思想上和RAID5相同，RAID6除了针对N-1个数据片计算校验数据之外，也对每个data block做计算，产出对应的校验data block，产出的校验data block和原始data block要求不能存储在同一个硬盘上。这有让人想起Kafka主从节点那种存储方式。优点是提供了更高的可用性和数据安全性。缺点是计算时间更长了，CPU资源占用更多了

以上方案中，RAID5是使用最多，但单台服务器可以插入的硬盘数量是有上限的，所以我们说的N个硬盘中的N，一般就是8。一台服务器只能插入8个硬盘，所以在RAID5下，提高的IO性能一般为7

分布式文件系统(Distributed File System)

想要继续突破IO瓶颈、容量瓶颈的思路就是借助分布式系统，将文件存储在不同服务器中。将inode这个FCB变为一个Service，由一个集群来通过服务。将inode中存储的data block地址从硬盘地址变为网络地址，data block的存储也由一个Service来负责，背后也是一个集群。
在Hadoop分布式文件系统中，这个服务化的inode称为NameNode，服务化的data block存储角色称为DataNode。对数据的读写需要借助Hadoop Client和HDFS(Hadoop Distributed File System)交互

• DataNode：负责文件数据的存储和读写，HDFS将文件划分为若干个数据块(Block)，每个DataNode存储一部分Block。
• NameNode：负责分布式文件系统的元数据(Meta Data)管理，元数据包含文件路径名、访问权限控制、数据块ID、存储位置等。同时负责Block的冗余存储控制(复制为多份，默认为3份)
  
  通过分布式文件系统可以解决：1）IO瓶颈，毕竟IO并发度就可以变为存储对应文件的DataNode个数；2）容量瓶颈，分布式系统本身已经突破了单机的限制，那么最大容量就由集群规模决定了。

参考文章

• 关于固态硬盘你必须知道这些
• 后端技术面试38讲 - 文件系统原理
• Linux系统篇 - 文件系统&虚拟文件系统

[finnlyu41]

张总好厉害（づ￣3￣）づ╭❤～