Linux文件系统十问---深入理解文件存储方式

　　我们都知道第五列显示的是占用的空间大小，那么我来提个几个小小的问题吧。
（1）为什么目录占用的空间是4096？

（2）为什么空文件占用的空间却是0？

（3）如果空文件真占用0byte空间，那么该文件的文件名、创建者以及权限-rw-rw-r—等文件夹相关的信息都存到哪儿去了？

2、我就不信空文件不占用空间

　　为了解开这个谜底，需要借助df命令。输入df –i，

　　Linux结果中红框位置处显示的是inodes的相关信息，如果你对inode的概念不熟悉，你可以暂时把它当成一个操作系统秘密管理的一个家伙，会占用空间就行了。接下来我touch一个空的文件后再次df -i。

　　虽然前面操作系统告诉我们，一个新建的空文件占用的空间是0。但是这个实验却证明操作系统“欺骗”了我们，它消耗掉了一个inode。那么inode的节点大小是多少呢，使用dumpe2fs命令可以帮助我们查看到这个东东的实际大小。

　　在输出的结果中我们可以找到下面这行:

　　它告诉我们每个inode的大小是256Byte。当然这个大小每台机器都会不一样，它实际上是在系统格式化磁盘的时候决定的。

　　好了，开篇第二个问题也有答案了。原来新建一个空的文件是会占用磁盘空间的，实际占用的是256Byte。哦，不，准确的说法应该是一个inode size，具体的值是在格式化时决定的。

　　再说说新建空目录吧，前面说了新建空目录会占用4KB的磁盘空间。那么仅仅如此吗？ 我们同样在新建目录前后都使用df –i来监视系统inode的占用。

　　原来目录也是会占用一个inode节点的，第三个问题也有了答案了，新建一个空目录会占用磁盘空间4KB + inode size。 哦，这个在你的系统上也不一定是4K，它实际上一个block size。同样在dumpe2fs下可以看到。

　　只不过我的磁盘在格式化时采用的是4KB的大小，呵呵！

3、神秘的空目录的4KB

　　前面的谜团解开了，可以作为攻城狮的我对另外一个东西产生了好奇心。就是空目录占用的那4KB，这些空间是用来存什么的呢？好神秘呀。

　　cd到我们新建的目录下查看。

　　我们再新建两个空的文件，再查看下目录的空间占用情况。

　　貌似，没有什么新发现。因为空文件不占用block，所以这里显示的仍然是目录占用的block，和之前大小没有变化。那么我继续使用php脚本创建100个文件名长度为32Byte的空文件。

　　这时我们发现目录占用的磁盘空间变大了，成了3个Block了。哈哈，这就解答了我们开篇的第四个问题，文件名是存在目录占用的block中的。接下来我又还证明了每个目录block中能保存的文件名个数是和文件名的长度有关的（好像有点废话的意思，不过亲手证明自己的猜想还是有点小爽的）。我又另外新建了个空目录，创建了100个文件名长度为32*3个空文件，该临时目录占用的磁盘空间如下：

　　你可能会问我为什么文件名变成了3倍后，占用的block数目为什么没有变成3倍。其实Linux文件系统关于文件的结构体中除了文件名以外，还有其它的一些字段的，文件名变长3倍不会导致结构体变大3倍的，这点可以参考Linux系统内核相关书籍。

　　好了，到现在开篇问题6也有了答案了。文件名长了当然会对系统性能产生影响，因为这可能会导致更多的磁盘IO。很多程序员都喜欢将文件命名为有意义的长串，使人一看文件名就知道用途。当然我没说这样不好，但是如果你的文件数量相当大的时候，你就要考虑你的文件名是否导致你的目录block占用太多了。占用的空间倒是小事，磁盘很便宜，但是你得考虑下在目录下查找文件时操作系统的感受，操作系统可需要用你你提供的文件名进行字符串比较，而且运气不好的话需要将其名下所有block都搞一遍才行啊。（当然了，你的文件名长度不变态，而且数量没有达到十万数量级的话实际上这个开销也不会太大，但是这个开销你还是知道的为好）

　　至于开篇问题5，文件名最长多长。实际上Linux操作系统就是为了避免程序员不节制地使用长文件名，强加了个限制，不得超过255byte。

　　另外，大家有没有经验，在目录下文件很多的时候，我们使用ls命令时会很慢。现在大家知道原因了吧，这时实际上操作系统在读取当前目录的所有block，如果block比较多的话，可能得需要多次IO操作才能完成这个简单的ls命令。

　　我在自己的电脑某个目录下创建了一100W个空文件，ls命令1分钟还没出结果，被我ctrl+c掉了。在自己的项目中可不要这么干，虽然操作系统可以cache住你的目录数据，使你下次调用时会块很多，但我还是建议你单个目录下文件数目不要过万。否则你的程序在重启后首次运行时可能会出现性能不佳的情况。

　　好了，回到开篇问题7，你有答案了吗？一个目录下最多能建多少个文件，这个最多其实是受限于你目录所在分区的inode数量，你有100W个inode，你最多就可以新建100W个文件。但是，上面说了，单个目录下文件数量最好不要过万，否则会带来系统性能的问题。

4、文件的block

　　再做个关于文件的实验。我新建了个空目录，并在其下新建了个文件，里面只写了一个空格数据，保存后du命令显示如下：

　　这8K里有4K是目录的，也就可以算出操作系统为只包含一个空格的文件分配了4KB。其实文件的block比较简单的了，不像目录的block里会存很多文件系统的结构体，文件的block里只会保存文件的数据。上面这个实验表明，操作系统分配空间时是以block为最小单位。也就是说只要你的文件数据不为空，操作系统就至少会给你分配一个block来存储，直到你超过了4KB，操作系统再给你分配下一个block，就是这样。所以对于开篇问题8，新建一个内容大小为1k的文件，实际会占用1个block（一般为4k）和一个inode（一般为256byte）。

　　其实文件系统在向磁盘发起IO请求的时候，也是以block size为单位的。哪怕你只向操作系统发起读取文件的2Byte，但是操作系统会一次性给你读取4KB回来。因此磁盘IO真的是很慢，而且我们只要访问了这2Byte，确实很有可能接下来继续访问这2byte后面的内容，这也就是程序局部性原理，所以操作系统索性一次性就多读取些回来了。呵呵，这就是开篇问题9的答案。
这就像我们去逛超市，逛一次真的是很浪费时间，这可要比坑爹的磁盘IO也慢许多了。我们总不会逛了一圈超市就买了一个苹果就回来了吧，我们肯定会多买些东西为家里以后的需求准备着，反正买一堆东西比买一个苹果也没多花多少时间，何乐为不为呢，就是这个道理。

　　再说说开篇问题10，我们攻城狮怎么样设计你的文件能提高一些IO速度呢？那就是如果你知道你的要新建的文件大概会占用多大的空间的话，比如1M。那么你新建文件时就顺便和操作系统说一下，让它帮你将文件的size预留下来。这样实际上操作系统时会尽可能为你分配连续的block，这样你再读取这个文件时，磁头就省去很多寻道时间了，IO速度就显得快多了。   
 
三、写在后面的话

　　前面我们说的都是基于我自己的文件系统，情形是一个block size是4KB，一个inode size是256byte，包括我虚拟机上的inode数量才只有140多万个。这些值实际上不是固定的，你完全可以在格式化你的硬盘的时候设置成其它的值。设置的原则就是看你的硬盘的容量，以及你的用途。

　　如果你的文件都是大于4KB，甚至是几M，几G的文件，那么建议你的block还是尽可能的大一点吧，这样inode里就能少记几个地址。

　　如果你的文件大部分都是1K以下的，那么确实使用4K的block会造成一点点浪费，如果你的老板对成本要求异常苛刻的话，你可以适当考虑把你的block设置得小一点。

　　另外，要关注你的文件系统的inode。操作系统在查看目录和文件占用的磁盘空间信息时把inode节点的占用给隐藏起来了，其用意在于为用户提供一个白盒的环境，把数据占用的空间交给我们来认知，而把inode信息隐藏起来为了降低我们理解操作系统的难度。而实际上，我们作为非普通用户的开发人员应该具备这个知情权。这个东东直接关系到你文件系统能创建文件数量。否则哪天等你发现线上机器磁盘还剩大把大把的空间，但就是inode使用光了，那时候就只有重新格式化或者迁移服务器了。这两个操作想想都觉得苦逼啊，还是能避免就尽量避免吧。   
 
 
　　思考题：我们大家有个经验就是目录下小文件太多的情况下，往其它地方拷贝的话，速度会非常的慢，我们这时往往会把目录压缩一下再拷贝。现在你能说出这样做为什么会快吗？