我们知道SSD是一场存储革命，设计和制造一个好的SSD固然重要，但如何正确使用以充分发挥SSD性能同样重要。SSD内在的并行性和先擦再写的特性决定了它不同于机械硬盘简单的LBA和存储块一一对应，要充分挖掘SSD的并行性，提升性能，延长寿命，缩短延迟，就必须在上层应用做出改动。很多SSD的使用大户都作出了这种尝试，从国外的Google，Microsoft，Facebook，到国内的Baidu，Alibaba等，本站就曾经介绍过百度的软件定义闪存，把对象存储和SSD内部结构统一起来使用。但对大部分企业来讲，这种结构还是太独特了，我们还是要关注通用的架构，首先来了解离硬盘最近的软件：文件系统。本系列文章将以Linux系统最常见的EXT4文件系统为例，从SSD爱好者的角度来揭开文件系统的庐山真面目。
VFS架构
要说Linux文件系统，不得不说VFS：Virtual File System，如上图，Linux设计了一个文件系统的中间层，上层用户都直接和VFS打交道，文件系统开发者再把VFS转换为自己的格式。这样做的优点主要有：
- 用户层应用不用关心具体用的是什么文件系统， 使用统一的标准接口进行文件操作；
- 如果一个系统包含不同分区，不同分区使用不同的文件系统，他们之间可以通过这个VFS交互，比如从U盘、网盘拷数据到硬盘就得通过VFS转换管理信息，如下图；
- 可以动态支持很多文件系统，添加一个只需要安装驱动就可以了，不需要内核重新编译。
我们来看看这张文件系统层次图中的每一层。
- 用户层：最上面用户层就是我们日常使用的各种程序，需要的接口主要是文件的创建、删除、打开、关闭、写、读等。
- VFS层：我们知道Linux分为用户态和内核态，用户态请求硬件资源需要调用System Call通过内核态去实现。用户的这些文件相关操作都有对应的System Call函数接口，接口调用 VFS对应的函数。
- 文件系统层：不同的文件系统实现了VFS的这些函数，通过指针注册到VFS里面。所以，用户的操作通过VFS转到各种文件系统。文件系统把文件读写命令转化为对磁盘LBA的操作，起了一个翻译和磁盘管理的作用。
- 缓存层：文件系统底下有缓存，Page Cache，加速性能。对磁盘LBA的读写数据缓存到这里。
- 块设备层：块设备接口Block Device是用来访问磁盘LBA的层级，读写命令组合之后插入到命令队列，磁盘的驱动从队列读命令执行。Linux设计了电梯算法等对很多LBA的读写进行优化排序，尽量把连续地址放在一起。
- 磁盘驱动层：磁盘的驱动程序把对LBA的读写命令转化为各自的协议，比如变成ATA命令，SCSI命令，或者是自己硬件可以识别的自定义命令，发送给磁盘控制器。Host Based SSD甚至在块设备层和磁盘驱动层实现了FTL，变成对Flash芯片的操作。
- 磁盘物理层：读写物理数据到磁盘介质。
网络文件系统NFS把文件层之后的操作在远端实现。下面是NFS基本原理。
VFS组成
尽管Linux内核是C语言写的，但VFS是一种面向对象的框架，把文件相关的东西分为4个对象：
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Superblock:一个文件系统有一个，含有文件系统的属性和接口，
- 属性：文件系统的一些参数；
- 接口：mount和umount接口等。
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Inode：一个文件有一个，含有文件的属性和文件属性的接口（不是文件读写的接口）。文件夹也当成文件处理，有自己的inode。
- 属性：文件名，创建时间，修改时间，访问权限，文件保存的LBA等；
- 接口：创建，删除文件夹等。
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Dentry ：一个目录有一个，用来方便目录查找等。访问文件的时候，用户发下来文件路径，VFS通过Hash的方法直接通过路径查到最终Dentry，找到inode，来直接查找一个路径，而不是一级级翻下来。
- 属性：目录名等；
- 接口：查找文件路径等。
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File ：对文件进行操作的接口，这个是大家最熟悉的了，读写都通过它。
- 属性：文件锁，当前访问的偏移地址等；
- 接口：fopen，fclose，fwrite，fread，fsync，异步读写等。
这些对象平时保存在磁盘上，使用时加载到内存并给各种属性和接口赋值，同时inode和dentry都是有缓存的，这样每次查找一个路径，就不用等啊等啊读磁盘了，翻一下缓存就能快速找到。
下面是一个文件结构示例：
Unix风格文件
那么问题来了，挖掘机技术到底哪家强？有人要问，真的靠一个VFS能统一所有的文件系统操作吗？微软那么配合啊，会采用和Linux一样的接口？所以VFS要求文件系统要有Unix风格，主要是三种Style：
- 文件夹和文件都是一样的处理；
- 文件的信息和文件数据分开，文件信息放在inode里面，数据放在数据块里面；
- Superblock来表示文件系统的信息。
Windows的文件系统FAT，NTFS其实不太一致，有的文件信息不专门用inode来存，有的文件夹和文件区别开来，这些文件系统磁盘里面没有superblock，inode，需要在内存中生成inode和superblock来模拟。
引用
Robert Love, Linux Kernel Development.
https://swbae98.wordpress.com/tag/ext4/
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