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文件系統(tǒng)技術內幕：大數據時代海量數據存儲之道 
定 價：102 元
9 7 4 8 2 7 4 1 7 2 8 1 6 讀者對象:本書讀者對象為系統(tǒng)運維人員，以及希望對文件系統(tǒng)進一步了解的技術人員。有意成為架構師的程序員應該學習本書。其他程序員通過學習本書，可以進一步理解文件系統(tǒng)的原理，獲得可以借鑒的開發(fā)經驗。 
本書通過理論與實踐相結合的方式，深入淺出地介紹了文件系統(tǒng)的概念、原理和具體實現。本書涵蓋本地文件系統(tǒng)、網絡文件系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)和對象存儲等內容，可以說涵蓋了數據持久化文件系統(tǒng)的主要領域。為了使讀者更加深入地理解文件系統(tǒng)的原理，本書不僅介紹了文件系統(tǒng)的原理和關鍵技術，還結合開源項目介紹了文件系統(tǒng)的實現細節(jié)。最后，本書介紹了在互聯網領域廣泛使用的對象存儲、承載海量訪問請求的原理及可存儲海量數據的架構。希望讀者通過閱讀本書對文件系統(tǒng)有全面、深入的認識。本書既可以作為文件系統(tǒng)及其他存儲系統(tǒng)開發(fā)人員的指導用書，也可以作為軟件架構師、程序員和 Linux 運維人員的參考用書。
張書寧戴爾科技（Dell Technologies）首席軟件開發(fā)工程師，負責公司核心存儲產品Unity和PowerStore的研發(fā)工作。先后就職于華為、甲骨文（Oracle）、戴爾科技等世界五百強公司，曾負責分布式存儲產品FusionStorage及中端企業(yè)級存儲產品Unity和PowerStore等的系統(tǒng)設計和開發(fā)工作，深耕存儲領域十幾載。為了答謝廣大讀者，凡購買本書的讀者有機會免費加入作者的交流存儲技術社群（每季度限100人），在該社群中交流存儲及文件系統(tǒng)相關技術，或者咨詢問題。公眾號： SunnyZhang的IT世界ID：itworld123關注公眾號，私信“免費社群”即可獲得免費加入的方法
目 錄
第 1 章 從文件系統(tǒng)是什么說起 ................................................................................... 1 1.1 什么是文件系統(tǒng) ...................................................................................... 1 1.1.1 普通用戶角度的文件系統(tǒng) .......................................................... 3 1.1.2 操作系統(tǒng)層面的文件系統(tǒng) .......................................................... 9 1.1.3 文件系統(tǒng)的基本原理 ................................................................ 12 1.2 常見文件系統(tǒng)及分類 ............................................................................ 13 1.2.1 本地文件系統(tǒng) ............................................................................ 14 1.2.2 偽文件系統(tǒng) ................................................................................ 14 1.2.3 網絡文件系統(tǒng) ............................................................................ 15 1.2.4 集群文件系統(tǒng) ............................................................................ 16 1.2.5 分布式文件系統(tǒng) ........................................................................ 16 第 2 章 知其然——如何使用文件系統(tǒng)...................................................................... 17 2.1 巧婦之炊——準備開發(fā)環(huán)境 ................................................................. 17 2.2 文件內容的訪問——讀/寫文件 ............................................................ 18 2.2.1 文件系統(tǒng)的 API ......................................................................... 18 2.2.2 文件訪問的一般流程 ................................................................ 19 2.2.3 文件內容的讀/寫實例 ............................................................... 20 2.2.4 關于 API 函數的進一步解釋 .................................................... 22 2.3 如何遍歷目錄中的文件 ........................................................................ 24 2.4 格式化文件系統(tǒng)與掛載 ........................................................................ 27 2.5 文件系統(tǒng)與權限管理 ............................................................................ 29 2.5.1 Linux 權限管理簡介 .................................................................. 30 2.5.2 設置文件的 RWX 權限 ............................................................. 31 2.5.3 設置文件的 ACL 權限 .............................................................. 34 2.6 文件系統(tǒng)的鎖機制 ................................................................................ 37 2.6.1 文件鎖的分類與模式 ................................................................ 37 2.6.2 Linux 文件鎖的使用 .................................................................. 38 2.7 文件系統(tǒng)的擴展屬性 ............................................................................ 41 2.8 文件的零拷貝 ........................................................................................ 42 2.8.1 零拷貝的基本原理 .................................................................... 42 2.8.2 零拷貝的系統(tǒng) API ..................................................................... 44 第 3 章 知其所以然——本地文件系統(tǒng)原理及核心技術 .......................................... 46 3.1 Linux 文件系統(tǒng)整體架構簡介 .............................................................. 46 3.1.1 從 VFS 到具體文件系統(tǒng) ........................................................... 48 3.1.2 關鍵處理流程舉例 .................................................................... 50 3.2 本地文件系統(tǒng)的關鍵技術與特性 ........................................................ 61 3.2.1 磁盤空間布局（Layout） ......................................................... 61 3.2.2 文件的數據管理 ........................................................................ 69 3.2.3 緩存技術 .................................................................................... 77 3.2.4 快照與克隆技術 ........................................................................ 82 3.2.5 日志技術 .................................................................................... 84 3.2.6 權限管理 .................................................................................... 85 3.2.7 配額管理 .................................................................................... 89 3.2.8 文件鎖的原理 ............................................................................ 91 3.2.9 擴展屬性與 ADS ....................................................................... 92 3.2.10 其他技術簡介 .......................................................................... 94 3.3 常見本地文件系統(tǒng)簡介 ........................................................................ 95 3.3.1 ExtX 文件系統(tǒng) ........................................................................... 95 3.3.2 XFS 文件系統(tǒng) ............................................................................ 95 3.3.3 ZFS 文件系統(tǒng) ............................................................................ 96 3.3.4 Btrfs 文件系統(tǒng) ........................................................................... 97 3.3.5 FAT 文件系統(tǒng) ............................................................................ 98 3.3.6 NTFS 文件系統(tǒng) ......................................................................... 98 第 4 章 從理論到實戰(zhàn)——Ext2 文件系統(tǒng)代碼詳解 ................................................. 99 4.1 本地文件系統(tǒng)的分析方法與工具 ........................................................ 99 4.1.1 基于文件構建文件系統(tǒng) .......................................................... 100 4.1.2 了解函數調用流程的利器 ...................................................... 100 4.2 從 Ext2 文件系統(tǒng)磁盤布局說起 ......................................................... 102 4.2.1 Ext2 文件系統(tǒng)整體布局概述 .................................................. 102 4.2.2 超級塊（SuperBlock） ........................................................... 103 4.2.3 塊組描述符（Block Group Descriptor） ................................ 106 4.2.4 塊位圖（Block Bitmap） ........................................................ 108 4.2.5 inode 位圖（inode Bitmap） ................................................... 109 4.2.6 inode 與 inode 表 ..................................................................... 109 4.3 Ext2 文件系統(tǒng)的根目錄與目錄數據布局 .......................................... 113 4.4 Ext2 文件系統(tǒng)的掛載 .......................................................................... 116 4.5 如何創(chuàng)建一個文件 .............................................................................. 117 4.5.1 創(chuàng)建普通文件 .......................................................................... 118 4.5.2 創(chuàng)建軟硬鏈接 .......................................................................... 121 4.5.3 創(chuàng)建目錄 .................................................................................. 125 4.6 Ext2 文件系統(tǒng)刪除文件的流程 .......................................................... 125 4.7 Ext2 文件系統(tǒng)中文件的數據管理與寫數據流程 .............................. 129 4.7.1 Ext2 文件系統(tǒng)中的文件數據是如何管理的 .......................... 129 4.7.2 從 VFS 到 Ext2 文件系統(tǒng)的寫流程........................................ 130 4.7.3 不同寫模式的流程分析 .......................................................... 134 4.7.4 緩存數據刷寫及流程 .............................................................. 138 4.8 讀數據的流程分析 .............................................................................. 140 4.8.1 緩存命中場景 .......................................................................... 141 4.8.2 非緩存命中場景 ...................................................................... 142 4.8.3 數據預讀邏輯 .......................................................................... 143 4.9 如何分配磁盤空間 .............................................................................. 148 4.9.1 計算存儲路徑 .......................................................................... 150 4.9.2 獲取存儲路徑 .......................................................................... 152 4.9.3 分配磁盤空間 .......................................................................... 153 4.10 Ext2 文件系統(tǒng)的擴展屬性 ................................................................ 154 4.10.1 Ext2 文件系統(tǒng)擴展屬性是怎么在磁盤存儲的 .................... 154 4.10.2 設置擴展屬性的 VFS 流程 ................................................... 157 4.10.3 Ext2 文件系統(tǒng)擴展屬性接口實現 ........................................ 159 4.11 權限管理代碼解析 ............................................................................ 163 4.11.1 ACL 的設置與獲取 ............................................................... 163 4.11.2 ACL 權限檢查 ....................................................................... 164 4.12 文件鎖代碼解析 ................................................................................ 165 4.12.1 flock()函數的內核實現 ......................................................... 165 4.12.2 fcntl()函數的內核實現 .......................................................... 167 第 5 章 基于網絡共享的網絡文件系統(tǒng) ................................................................... 172 5.1 什么是網絡文件系統(tǒng) .......................................................................... 172 5.2 網絡文件系統(tǒng)與本地文件系統(tǒng)的異同 .............................................. 174 5.3 常見的網絡文件系統(tǒng)簡析 .................................................................. 174 5.3.1 NFS 文件系統(tǒng) .......................................................................... 174 5.3.2 SMB 協議與 CIFS 協議 .......................................................... 175 5.4 網絡文件系統(tǒng)關鍵技術 ...................................................................... 175 5.4.1 遠程過程調用（RPC 協議） .................................................. 176 5.4.2 客戶端與服務端的語言——文件系統(tǒng)協議 ........................... 177 5.4.3 文件鎖的網絡實現 .................................................................. 178 5.5 準備學習環(huán)境與工具 .......................................................................... 179 5.5.1 搭建一個 NFS 服務 ................................................................. 179 5.5.2 學習網絡文件系統(tǒng)的利器 ...................................................... 180 5.6 網絡文件系統(tǒng)實例 .............................................................................. 181 5.6.1 NFS 文件系統(tǒng)架構及流程簡析 .............................................. 181 5.6.2 RPC 協議簡析 .......................................................................... 185 5.6.3 NFS 協議簡析 .......................................................................... 186 5.6.4 NFS 協議的具體實現 .............................................................. 191 5.7 NFS 服務端及實例解析 ...................................................................... 203 5.7.1 NFSD ........................................................................................ 203 5.7.2 NFS-Ganesha ............................................................................ 210 第 6 章 提供橫向擴展的分布式文件系統(tǒng) ............................................................... 216 6.1 什么是分布式文件系統(tǒng) ...................................................................... 216 6.2 分布式文件系統(tǒng)與網絡文件系統(tǒng)的異同 .......................................... 217 6.3 常見分布式文件系統(tǒng) .......................................................................... 217 6.3.1 GFS ........................................................................................... 218 6.3.2 CephFS ..................................................................................... 219 6.3.3 GlusterFS .................................................................................. 219 6.4 分布式文件系統(tǒng)的橫向擴展架構 ...................................................... 220 6.4.1 中心架構 .................................................................................. 220 6.4.2 對等架構 .................................................................................. 221 6.5 分布式文件系統(tǒng)的關鍵技術 .............................................................. 222 6.5.1 分布式數據布局 ...................................................................... 222 6.5.2 分布式數據可靠性（Reliability）.......................................... 224 6.5.3 分布式數據一致性（Consistency） ....................................... 228 6.5.4 設備故障與容錯（Fault Tolerance） ...................................... 229 6.6 分布式文件系統(tǒng)實例之 CephFS ........................................................ 230 6.6.1 搭建一個 CephFS 分布式文件系統(tǒng) ....................................... 230 6.6.2 CephFS 分布式文件系統(tǒng)架構簡析 ........................................ 231 6.6.3 CephFS 客戶端架構 ................................................................ 234 6.6.4 CephFS 集群端架構 ................................................................ 236 6.6.5 CephFS 數據組織簡析 ............................................................ 239 6.6.6 CephFS 文件創(chuàng)建流程解析 .................................................... 244 6.6.7 CephFS 寫數據流程解析 ........................................................ 251 6.7 分布式系統(tǒng)實例之 GlusterFS ............................................................. 253 6.7.1 GlusterFS 的安裝與使用 ......................................................... 253 6.7.2 GlusterFS 整體架構簡析 ......................................................... 257 6.7.3 轉換器與轉換器樹 .................................................................. 259 6.7.4 GlusterFS 數據分布與可靠性 ................................................. 263 6.7.5 GlusterFS 客戶端架構與 I/O 流程 .......................................... 268 6.7.6 GlusterFS 服務端架構與 I/O 流程 .......................................... 270 第 7 章 百花爭艷——文件系統(tǒng)的其他形態(tài) ............................................................ 272 7.1 用戶態(tài)文件系統(tǒng)框架 .......................................................................... 272 7.1.1 Linux 中的用戶態(tài)文件系統(tǒng)框架 Fuse ................................... 272 7.1.2 Windows 中的用戶態(tài)文件系統(tǒng)框架 Dokany ......................... 279 7.2 對象存儲與常見實現簡析 .................................................................. 282 7.2.1 從文件系統(tǒng)到對象存儲 .......................................................... 282 7.2.2 S3 對象存儲簡析 ..................................................................... 287 7.2.3 Haystack 對象存儲簡析 .......................................................... 288 參考文獻 ....................................................................................................................... 295
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