前言
本文档主要介绍什么是文件系统、文件系统中的元数据、硬链接和软链接、日志等等，这对理解MDS的实现原理有非常好的帮助
文件系统
在使用计算机过程中，需要对数据进行读写等一系列的操作。比如存储一份数据，只需要打开文件编辑器写入数据点击保存，文件内容最终会保存到磁盘上，但我们并不知道这些数据存储在磁盘的具体位置；同理，获取一份数据时，也只需要知道对应的文件名和所在目录，使用相关应用程序打开即可，同样不需要关心从磁盘的具体哪个位置来获取。其实当我们在保存和读取文件时，需要操作系统通过文件系统来完成一系列动作，才能定位到磁盘的具体位置来存储或者读取数据。那么什么是文件系统呢？简言之，文件系统是一种针对磁盘（或者其他存储介质）上的用户数据进行组织和追踪的机制，其中元数据负责记录用户数据位置、所有者、访问权限、修改记录等关键信息，本身也要和用户数据一并写入磁盘。 常见的本地文件系统有：Ext2/3/4、XFS、BTRFS、FAT、NTFS；常见传统网络文件系统有：NFS、CIFS。随着互联网的快速发展，数据规模越来越庞大，企业对存储的要求也越来越高，传统的文件系统已经不能满足需求，分布式文件系统应运而生，常见的有：CephFS、Lustre、HDFS、GFS、GlusterFS等。 文件系统种类繁多、形态各异，那么类似Linux/Unix这样的操作系统应该如何去适配这些文件系统呢？以 Linux 操作系统为例，它通过一个名为VFS（Virtual File System）的虚拟文件系统，要求所有接入文件系统必须实现 VFS 所定义的统一并且符合 POSIX 语义的接口，以此来屏蔽不同的本地文件系统以及网络文件系统之间的差异，这个过程如下图所示：
下图展示了VFS在 Linux 操作系统中的位置和作用
文件系统中的元数据
实现上，VFS 为了适配不同类型的文件系统，定义了4种基本数据类型，分别为：SuperBlock，用于管理某一类文件系统信息；Inode，类Unix文件系统中的一种数据结构，每个Inode保存文件系统中的一个文件系统对象（包括文件、目录、设备文件、socket、管道等等在内）的概要信息，但不包括文件名和文件内容本身；Dentry，类Unix文件系统中某个Inode的链接，通过它们连接不同的Inodes，并最终实现文件系统目录树功能。Dentry是一个内存结构，由文件系统在内存中直接建立，Dentry中包含了文件名、文件的Inode号等信息；File（文件操作句柄），和进程相关，表示一个打开的文件，File和Inode之间是多对一的关系，因为多个进程可以打开同一个文件，每一次打开操作，系统都会创建一个File。 上述四种基本数据类型中，SuperBlock和File用于面向前端（客户端）提供服务，而Inode和Dentry则需要后端（服务端）文件系统提供服务功能。Inode 和 Dentry 是理解文件系统中数据组织形式的关键，下面重点进行介绍： （1）Inode Inode只记录数据块在存储介质上的位置和分布，以及文件对象属性（包括权限、属性组、数据块信息、时间戳等）信息，不包含文件名、内容等变长数据，这样可以使得Inode结构大小固定，方便查找。但我们发现要找到具体的存储位置，还缺少文件在目录树中的位置信息，因此需要引入Dentry。 （2）Dentry Dentry在文件系统中起到连接不同文件对应Inode的作用。Dentry包含文件名、文件Inode等信息。一般而言，在 Linux 操作系统下，读取或者写入文件时，需要给出文件所在的绝对路径或者相对路径，文件系统查找文件实际就是按照给出的路径从当前目录（如果是绝对路径，则从根目录开始）到叶子（文件）进行深度遍历过程。所有文件入口都从根目录开始，而Dentry是联接目录到文件之间的关键要素，原理如下：本级Dentry记录了本级目录或者文件名以及下一级目录或者文件的Dentry位置（为了快速搜索，也会记录上一级目录的Dentry位置），此外，因为Dentry本身也需要承载在具体的Inode对象中，所以Dentry也有自己的Inode号（根目录的Inode号一般默认设置为1）。Dentry的内容就像一张表，记录文件名与Inode之间的映射关系，而Dentry的Inode就像纽带，根据映射关系将它们连接起来，最终组成从根到叶子节点的完整路径，即构成了文件系统目录树。文件Dentry中记录的Inode会指向具体的存储介质的位置和范围，以实现文件内容的获取。上述过程如下图：
硬链接和软链接
文件系统中，为了实现文件共享、隐藏文件路径、增加权限安全和节省存储空间等功能，还需要引入链接这个重要的概念。链接包括硬链接和软链接两种方式。 硬链接指多个文件名指向同一个Inode号，即相同的存储内容可以使用不同的文件名来表示，特点是目录不能用来创建硬链接（防止出现目录环）、删除一个硬链接不影响其他文件（即只有所有指向同一个 Inode 的所有文件都被删除，文件才会被真正删除）、只能对已经存在的文件创建和不能跨文件系统进行链接，一般可以通过ln/link命令来创建，目录中隐藏的.和..就是典型的硬链接。 软链接即创建一个新的Inode，Inode存储的内容是另外一个文件路径名的指向，即软链接和普通的Inode除了存储的内容不同，没有其他差别。它的特点是可以灵活地实现诸多不做限制的要求：既可对存在或者不存在的文件和目录创建软链接，也可以链接到不同的文件系统，还可以在删除链接时不影响指向的文件等。下图展示软链接和硬链接之间的关系：
日志
日志是一种特殊的文件，用于循环记录文件系统的修改，并定期提交到文件系统进行保存。一旦系统发生崩溃，则日志会起到一个检测点的作用，用于恢复尚未保存的数据，防止文件系统出现数据（包括元数据和数据）丢失。下面是典型的日志文件系统写入流程：
日志文件系统有许多种类，但常见的设计模式无非有以下3种： （1）writeback 模式 writeback 模式只有元数据会被记录到日志，而数据仍然写入数据盘。这样虽然可以保证元数据一致性，但可能引起数据崩溃，例如在日志写入后、数据写入前系统发生崩溃的场景。 （2）ordered模式 ordered 模式也是只将元数据写入到日志，但前提是数据已经写入了数据盘。这样可以保证系统崩溃后日志数据与文件系统的一致性，缺点是不能最大限度的保证数据不丢失，例如在数据写入后、元数据写入前系统崩溃的场景。 （3）data模式（writeahead） data 模式将元数据和数据都记录到日志中，这样可以最大程度的防止文件系统崩溃和数据丢失，但由于数据写入了两次，性能会下降。 日志提交有两种常见的策略：超时提交和满时提交。超时提交指在规定时间到达后，日志内容会主动同步到数据存储介质上；满时提交是指日志存储空间已经达到上限，会触发同步数据到存储介质上。一般文件系统会同时启用这两种策略，来最大程度的保证数据安全和一致性。