本书通过理论与实践相结合的方式，深入浅出地介绍了文件系统的概念、原理和具体实现。本书涵盖本地文件系统、网络文件系统、分布式文件系统和对象存储等内容，可以说涵盖了数据持久化文件系统的主要领域。为了使读者更加深入地理解文件系统的原理，本书不仅介绍了文件系统的原理和关键技术，还结合开源项目介绍了文件系统的实现细节。最后，本书介绍了在互联网领域广泛使用的对象存储、承载海量访问请求的原理及可存储海量数据的架构。希望读者通过阅读本书对文件系统有全面、深入的认识。本书既可以作为文件系统及其他存储系统开发人员的指导用书，也可以作为软件架构师、程序员和 Linux 运维人员的参考用书。

张书宁戴尔科技（Dell Technologies）首席软件开发工程师，负责公司核心存储产品Unity和PowerStore的研发工作。先后就职于华为、甲骨文（Oracle）、戴尔科技等世界五百强公司，曾负责分布式存储产品FusionStorage及中端企业级存储产品Unity和PowerStore等的系统设计和开发工作，深耕存储领域十几载。为了答谢广大读者，凡购买本书的读者有机会免费加入作者的交流存储技术社群（每季度限100人），在该社群中交流存储及文件系统相关技术，或者咨询问题。公众号： SunnyZhang的IT世界ID：itworld123关注公众号，私信“免费社群”即可获得免费加入的方法

目 录
第 1 章 从文件系统是什么说起 ................................................................................... 1
1.1 什么是文件系统 ...................................................................................... 1
1.1.1 普通用户角度的文件系统 .......................................................... 3
1.1.2 操作系统层面的文件系统 .......................................................... 9
1.1.3 文件系统的基本原理 ................................................................ 12
1.2 常见文件系统及分类 ............................................................................ 13
1.2.1 本地文件系统 ............................................................................ 14
1.2.2 伪文件系统 ................................................................................ 14
1.2.3 网络文件系统 ............................................................................ 15
1.2.4 集群文件系统 ............................................................................ 16
1.2.5 分布式文件系统 ........................................................................ 16
第 2 章 知其然——如何使用文件系统...................................................................... 17
2.1 巧妇之炊——准备开发环境 ................................................................. 17
2.2 文件内容的访问——读/写文件 ............................................................ 18
2.2.1 文件系统的 API ......................................................................... 18
2.2.2 文件访问的一般流程 ................................................................ 19
2.2.3 文件内容的读/写实例 ............................................................... 20
2.2.4 关于 API 函数的进一步解释 .................................................... 22
2.3 如何遍历目录中的文件 ........................................................................ 24
2.4 格式化文件系统与挂载 ........................................................................ 27
2.5 文件系统与权限管理 ............................................................................ 29
2.5.1 Linux 权限管理简介 .................................................................. 30
2.5.2 设置文件的 RWX 权限 ............................................................. 31
2.5.3 设置文件的 ACL 权限 .............................................................. 34
2.6 文件系统的锁机制 ................................................................................ 37
2.6.1 文件锁的分类与模式 ................................................................ 37
2.6.2 Linux 文件锁的使用 .................................................................. 38
2.7 文件系统的扩展属性 ............................................................................ 41
2.8 文件的零拷贝 ........................................................................................ 42
2.8.1 零拷贝的基本原理 .................................................................... 42
2.8.2 零拷贝的系统 API ..................................................................... 44
第 3 章 知其所以然——本地文件系统原理及核心技术 .......................................... 46
3.1 Linux 文件系统整体架构简介 .............................................................. 46
3.1.1 从 VFS 到具体文件系统 ........................................................... 48
3.1.2 关键处理流程举例 .................................................................... 50
3.2 本地文件系统的关键技术与特性 ........................................................ 61
3.2.1 磁盘空间布局（Layout） ......................................................... 61
3.2.2 文件的数据管理 ........................................................................ 69
3.2.3 缓存技术 .................................................................................... 77
3.2.4 快照与克隆技术 ........................................................................ 82
3.2.5 日志技术 .................................................................................... 84
3.2.6 权限管理 .................................................................................... 85
3.2.7 配额管理 .................................................................................... 89
3.2.8 文件锁的原理 ............................................................................ 91
3.2.9 扩展属性与 ADS ....................................................................... 92
3.2.10 其他技术简介 .......................................................................... 94
3.3 常见本地文件系统简介 ........................................................................ 95
3.3.1 ExtX 文件系统 ........................................................................... 95
3.3.2 XFS 文件系统 ............................................................................ 95
3.3.3 ZFS 文件系统 ............................................................................ 96
3.3.4 Btrfs 文件系统 ........................................................................... 97
3.3.5 FAT 文件系统 ............................................................................ 98
3.3.6 NTFS 文件系统 ......................................................................... 98
第 4 章 从理论到实战——Ext2 文件系统代码详解 ................................................. 99
4.1 本地文件系统的分析方法与工具 ........................................................ 99
4.1.1 基于文件构建文件系统 .......................................................... 100
4.1.2 了解函数调用流程的利器 ...................................................... 100
4.2 从 Ext2 文件系统磁盘布局说起 ......................................................... 102
4.2.1 Ext2 文件系统整体布局概述 .................................................. 102
4.2.2 超级块（SuperBlock） ........................................................... 103
4.2.3 块组描述符（Block Group Descriptor） ................................ 106
4.2.4 块位图（Block Bitmap） ........................................................ 108
4.2.5 inode 位图（inode Bitmap） ................................................... 109
4.2.6 inode 与 inode 表 ..................................................................... 109
4.3 Ext2 文件系统的根目录与目录数据布局 .......................................... 113
4.4 Ext2 文件系统的挂载 .......................................................................... 116
4.5 如何创建一个文件 .............................................................................. 117
4.5.1 创建普通文件 .......................................................................... 118
4.5.2 创建软硬链接 .......................................................................... 121
4.5.3 创建目录 .................................................................................. 125
4.6 Ext2 文件系统删除文件的流程 .......................................................... 125
4.7 Ext2 文件系统中文件的数据管理与写数据流程 .............................. 129
4.7.1 Ext2 文件系统中的文件数据是如何管理的 .......................... 129
4.7.2 从 VFS 到 Ext2 文件系统的写流程........................................ 130
4.7.3 不同写模式的流程分析 .......................................................... 134
4.7.4 缓存数据刷写及流程 .............................................................. 138
4.8 读数据的流程分析 .............................................................................. 140
4.8.1 缓存命中场景 .......................................................................... 141
4.8.2 非缓存命中场景 ...................................................................... 142
4.8.3 数据预读逻辑 .......................................................................... 143
4.9 如何分配磁盘空间 .............................................................................. 148
4.9.1 计算存储路径 .......................................................................... 150
4.9.2 获取存储路径 .......................................................................... 152
4.9.3 分配磁盘空间 .......................................................................... 153
4.10 Ext2 文件系统的扩展属性 ................................................................ 154
4.10.1 Ext2 文件系统扩展属性是怎么在磁盘存储的 .................... 154
4.10.2 设置扩展属性的 VFS 流程 ................................................... 157
4.10.3 Ext2 文件系统扩展属性接口实现 ........................................ 159
4.11 权限管理代码解析 ............................................................................ 163
4.11.1 ACL 的设置与获取 ............................................................... 163
4.11.2 ACL 权限检查 ....................................................................... 164
4.12 文件锁代码解析 ................................................................................ 165
4.12.1 flock()函数的内核实现 ......................................................... 165
4.12.2 fcntl()函数的内核实现 .......................................................... 167
第 5 章 基于网络共享的网络文件系统 ................................................................... 172
5.1 什么是网络文件系统 .......................................................................... 172
5.2 网络文件系统与本地文件系统的异同 .............................................. 174
5.3 常见的网络文件系统简析 .................................................................. 174
5.3.1 NFS 文件系统 .......................................................................... 174
5.3.2 SMB 协议与 CIFS 协议 .......................................................... 175
5.4 网络文件系统关键技术 ...................................................................... 175
5.4.1 远程过程调用（RPC 协议） .................................................. 176
5.4.2 客户端与服务端的语言——文件系统协议 ........................... 177
5.4.3 文件锁的网络实现 .................................................................. 178
5.5 准备学习环境与工具 .......................................................................... 179
5.5.1 搭建一个 NFS 服务 ................................................................. 179
5.5.2 学习网络文件系统的利器 ...................................................... 180
5.6 网络文件系统实例 .............................................................................. 181
5.6.1 NFS 文件系统架构及流程简析 .............................................. 181
5.6.2 RPC 协议简析 .......................................................................... 185
5.6.3 NFS 协议简析 .......................................................................... 186
5.6.4 NFS 协议的具体实现 .............................................................. 191
5.7 NFS 服务端及实例解析 ...................................................................... 203
5.7.1 NFSD ........................................................................................ 203
5.7.2 NFS-Ganesha ............................................................................ 210
第 6 章 提供横向扩展的分布式文件系统 ............................................................... 216
6.1 什么是分布式文件系统 ...................................................................... 216
6.2 分布式文件系统与网络文件系统的异同 .......................................... 217
6.3 常见分布式文件系统 .......................................................................... 217
6.3.1 GFS ........................................................................................... 218
6.3.2 CephFS ..................................................................................... 219
6.3.3 GlusterFS .................................................................................. 219
6.4 分布式文件系统的横向扩展架构 ...................................................... 220
6.4.1 中心架构 .................................................................................. 220
6.4.2 对等架构 .................................................................................. 221
6.5 分布式文件系统的关键技术 .............................................................. 222
6.5.1 分布式数据布局 ...................................................................... 222
6.5.2 分布式数据可靠性（Reliability）.......................................... 224
6.5.3 分布式数据一致性（Consistency） ....................................... 228
6.5.4 设备故障与容错（Fault Tolerance） ...................................... 229
6.6 分布式文件系统实例之 CephFS ........................................................ 230
6.6.1 搭建一个 CephFS 分布式文件系统 ....................................... 230
6.6.2 CephFS 分布式文件系统架构简析 ........................................ 231
6.6.3 CephFS 客户端架构 ................................................................ 234
6.6.4 CephFS 集群端架构 ................................................................ 236
6.6.5 CephFS 数据组织简析 ............................................................ 239
6.6.6 CephFS 文件创建流程解析 .................................................... 244
6.6.7 CephFS 写数据流程解析 ........................................................ 251
6.7 分布式系统实例之 GlusterFS ............................................................. 253
6.7.1 GlusterFS 的安装与使用 ......................................................... 253
6.7.2 GlusterFS 整体架构简析 ......................................................... 257
6.7.3 转换器与转换器树 .................................................................. 259
6.7.4 GlusterFS 数据分布与可靠性 ................................................. 263
6.7.5 GlusterFS 客户端架构与 I/O 流程 .......................................... 268
6.7.6 GlusterFS 服务端架构与 I/O 流程 .......................................... 270
第 7 章 百花争艳——文件系统的其他形态 ............................................................ 272
7.1 用户态文件系统框架 .......................................................................... 272
7.1.1 Linux 中的用户态文件系统框架 Fuse ................................... 272
7.1.2 Windows 中的用户态文件系统框架 Dokany ......................... 279
7.2 对象存储与常见实现简析 .................................................................. 282
7.2.1 从文件系统到对象存储 .......................................................... 282
7.2.2 S3 对象存储简析 ..................................................................... 287
7.2.3 Haystack 对象存储简析 .......................................................... 288
参考文献 ....................................................................................................................... 295