H — 文件系统
文件系统是操作系统对存储设备上的数据组织和管理方式的抽象。它回答两个核心问题：数据怎么被存放（on-disk layout），以及数据怎么被程序访问（VFS 接口）。
VFS（Virtual File System）
Linux 通过 VFS 层统一不同文件系统的访问方式。用户程序调用 open() / read() / write() 等系统调用，VFS 将其分派到对应的具体文件系统实现：
graph TD A["用户程序: open / read / write / close"] --> B["VFS 虚拟文件系统层"] B --> C["ext4"] B --> D["XFS"] B --> E["NTFS"] B --> F["NFS (网络文件系统)"] B --> G["tmpfs (内存文件系统)"]
inode
在 Unix/Linux 文件系统中，文件由两部分组成：
| 组成部分 | 存储内容 | 存储位置 |
|---|---|---|
| inode | 元数据（权限、所有者、大小、时间戳、数据块指针） | inode 表（磁盘固定区域） |
| data blocks | 文件的实际数据 | 数据块区域 |
graph LR A["inode"] --> B["直接块 0-11<br/>(12 个，每个 4KB)"] A --> C["间接块<br/>(指向更多数据块)"] C --> D["双重间接块"] D --> E["三重间接块"]
inode 本身不存储文件名——文件名存储在目录中，目录本质上是一个将文件名映射到 inode 编号的特殊文件。
目录
// 简化表示
struct dirent {
int inode_number; // inode 编号
char name[256]; // 文件名
};目录是一个列表，每个条目把一个人类可读的文件名映射到一个数字 inode 编号。
硬链接 vs 软链接：
- 硬链接：不同的文件名指向同一个 inode 号（底层是同一个文件，删一个不影响另一个）
- 软链接（符号链接）：一个特殊文件，内容为另一个文件的路径名
文件描述符
每个进程维护一个文件描述符表（files 字段在 task_struct 中）：
int fd = open("/path/to/file", O_RDONLY);
// fd = 3 -- 一个整数索引
// 内核中: task.files.fd[3] → struct file → inode → data blocks0 = stdin, 1 = stdout, 2 = stderr 是每个进程默认打开的三个文件描述符。
缓冲与同步
标准 C 库（fopen / fprintf / fwrite）在用户态维护自己的缓冲区，直到缓冲区满、调用 fflush、或程序退出时才执行实际的 write() 系统调用。
fprintf(fp, "hello"); // 可能还在 C 库的用户态缓冲区中，未写入磁盘
fflush(fp); // 强制 flush 到内核的 page cache
fsync(fileno(fp)); // 强制内核将 page cache 写入磁盘三层缓冲：
C 库缓冲区 (用户态) → 内核 Page Cache (内核态) → 磁盘 (物理)
fflush fsync / fdatasync
崩溃一致性：如果在内核 page cache 和磁盘之间发生断电，未写入磁盘的数据会丢失。数据库（如 SQLite）在每次事务提交后调用 fsync 确保数据写入磁盘。
文件系统与 io_uring
传统的 read() / write() 系统调用在处理高并发 I/O 时上下文切换开销很高。io_uring（Linux 5.1+）是两个环形缓冲区（submission queue + completion queue），允许程序批量提交 I/O 请求并批量收集结果，减少了系统调用的次数和上下文切换。
graph LR A["应用程序"] -->|"写入 SQ backlog"| B["Submission Queue (SQ)"] B --> C["内核异步处理 I/O"] C --> D["Completion Queue (CQ)"] D -->|"应用程序读取结果"| A
io_uring 代表了 Linux 异步 I/O 的未来方向。传统的 epoll poll 模型将在开发者转向 io_uring 后逐渐被替代。