文件系統各有不同，其最主要的目標就是解決磁盤空間的管理問題，同時提供高效性、安全性。如果在分佈式環境下，則有相應的分佈式文件系統。Linux上有ext系列，Windows上有Fat和NTFS。如圖爲一個linux下文件系統的結構。
其中VFS（Virtual File System）是Linux Kernel文件系統的一個模塊，簡單看就是一個Adapter，對下屏蔽了下層不同文件系統之間的差異，對上爲操作系統提供了統一的接口.
中間部分爲各個不同文件系統的實現。
再往下是Buffer Cache和Driver。
文件系統的結構
各種文件系統實現方式不同，因此性能、管理性、可靠性等也有所不同。下面爲Linux Ext2（Ext3）的一個大致文件系統的結構。
Boot Block存放了引導程序。
Super Block存放了整個文件系統的一些全局參數，如：卷名、狀態、塊大小、塊總數。他在文件系統被mount時讀入內存，在umount時被釋放。
上圖描述了Ext2文件系統中很重要的三個數據結構和他們之間的關係。
Inode：Inode是文件系統中最重要的一個結構。如圖，他裏面記錄了文件相關的所有信息，也就是我們常說的meta信息。包括：文件類型、權限、所有者、大小、atime等。Inode裏面也保存了指向實際文件內容信息的索引。其中這種索引分幾類：
- 直接索引：直接指向實際內容信息，公有12個。因此如果，一個文件系統block size爲1k，那麼直接索引到的內容最大爲12k
- 間接索引
- 兩級間接索引
- 三級間接索引
如圖：
Directory代表了文件系統中的目錄，包括了當前目錄中的所有Inode信息。其中每行只有兩個信息，一個是文件名，一個是其對應的Inode。需要注意，Directory不是文件系統中的一個特殊結構，他實際上也是一個文件，有自己的Inode，而它的文件內容信息裏面，包括了上面看到的那些文件名和Inode的對應關係。如下圖：
Data Block即存放文件的時間內容塊。Data Block大小必須爲磁盤的數據塊大小的整數倍，磁盤一般爲512字節，因此Data Block一般爲1K、2K、4K。
Buffer Cache
Buffer & Cache
雖然Buffer和Cache放在一起了，但是在實際過程中Buffer和Cache是完全不同了。Buffer一般對於寫而言，也叫“緩衝區”，緩衝使得多個小的數據塊能夠合併成一個大數據塊，一次性寫入；Cache一般對於讀而且，也叫“緩存”，避免頻繁的磁盤讀取。如圖爲Linux的free命令，其中也是把Buffer和Cache進行區分，這兩部分都算在了free的內存。
Buffer Cache
Buffer Cache中的緩存，本質與所有的緩存都是一樣，數據結構也是類似，下圖爲VxSF的一個Buffer Cache結構。
這個數據結構與memcached和Oracle SGA的buffer何等相似。左側的hash chain完成數據塊的尋址，上方的的鏈表記錄了數據塊的狀態。
Buffer vs Direct I/O
文件系統的Buffer和Cache在某些情況下確實提高了速度，但是反之也會帶來一些負面影響。一方面文件系統增加了一箇中間層，另外一方面，當Cache使用不當、配置不好或者有些業務無法獲取cache帶來的好處時，cache則成爲了一種負擔。
適合Cache的業務：串行的大數據量業務，如：NFS、FTP。
不適合Cache的業務：隨機IO的業務。如：Oracle，小文件讀取。
塊設備、字符設備、裸設備
這幾個東西看得很暈，找了一些資料也沒有找到很準確的說明。
從硬件設備的角度來看，
- 塊設備就是以塊（比如磁盤扇區）爲單位收發數據的設備，它們支持緩衝和隨機訪問（不必順序讀取塊，而是可以在任何時候訪問任何塊）等特性。塊設備包括硬盤、CD-ROM 和 RAM 盤。
- 字符設備則沒有可以進行物理尋址的媒體。字符設備包括串行端口和磁帶設備，只能逐字符地讀取這些設備中的數據。
從操作系統的角度看（對應操作系統的設備文件類型的b和c），
# ls -l /dev/*lv
brw------- 1 root system 22, 2 May 15 2007 lv
crw------- 2 root system 22, 2 May 15 2007 rlv
- 塊設備能支持緩衝和隨機讀寫。即讀取和寫入時，可以是任意長度的數據。最小爲1byte。對塊設備，你可以成功執行下列命令：dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1 count=1。即：在設備中寫入一個字節。硬件設備是不支持這樣的操作的（最小是512），這個時候，操作系統首先完成一個讀取（如1K，操作系統最小的讀寫單位，爲硬件設備支持的數據塊的整數倍），再更改這1k上的數據，然後寫入設備。
- 字符設備只能支持固定長度數據的讀取和寫入，這裏的長度就是操作系統能支持的最小讀寫單位，如1K，所以塊設備的緩衝功能，這裏就沒有了，需要使用者自己來完成。由於讀寫時不經過任何緩衝區，此時執行dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1 count=1，這個命令將會出錯，因爲這裏的bs（block size）太小，系統無法支持。如果執行dd if=/dev/zero of=/dev/vg01/lv bs=1024 count=1，則可以成功。這裏的block size有OS內核參數決定。
如上，相比之下，字符設備在使用更爲直接，而塊設備更爲靈活。文件系統一般建立在塊設備上，而爲了追求高性能，使用字符設備則是更好的選擇，如Oracle的裸設備使用。
裸設備
裸設備也叫裸分區，就是沒有經過格式化、沒有文件系統的一塊存儲空間。可以寫入二進制內容，但是內容的格式、其中信息的組織等問題，需要使用它的人來完成。文件系統就是建立在裸設備之上，並完成裸設備空間的管理。
CIO
CIO即並行IO（Concurrent IO）。在文件系統中，當某個文件被多個進程同時訪問時，就出現了Inode競爭的問題。一般地，讀操作使用的共享鎖，即：多個讀操作可以併發進行，而寫操作使用排他鎖。當鎖被寫進程佔用時，其他所有操作均阻塞。因此，當這樣的情況出現時，整個應用的性能將會大大降低。如圖：
CIO就是爲了解決這個問題。而且CIO帶來的性能提高直逼裸設備。當文件系統支持CIO並開啓CIO時，CIO默認會開啓文件系統的Direct IO，即：讓IO操作不經過Buffer直接進行底層數據操作。由於不經過數據Buffer，在文件系統層面就無需考慮數據一致性的問題，因此，讀寫操作可以並行執行。
在最終進行數據存儲的時候，所有操作都會串行執行，CIO把這個事情交個了底層的driver。
