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Daniel Robbins（drobbins@gentoo.org）
總裁／首席執(zhí)行官，Gentoo Technologies，Inc.
2001 年 9 月
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伴隨著 Linux 2.4 版本的發(fā)行，出現(xiàn)了大量的文件系統(tǒng)可能性，其中包括 ReiserFS、XFS、GFS 和其它文件系統(tǒng)。這些文件系統(tǒng)聽起來的確都很酷，但是它們真正能做些什么呢，擅長在哪些方面，以及在 Linux 產(chǎn)品環(huán)境下如何才能安全地使用它們呢？Daniel Robbins 通過向您展示如何在 Linux 2.4 的環(huán)境下建立這些新的高級(jí)文件系統(tǒng)來回答以上的問題。在這個(gè)部分，Daniel 簡(jiǎn)單地介紹了 tmpfs，一個(gè)基于 VM 的文件系統(tǒng)，還向您介紹了 2.4 版本的“綁定”安裝功能帶來的新的可能。

在本文中，我們要談?wù)搸讉€(gè)相對(duì)次要的主題。首先，我們會(huì)簡(jiǎn)單地介紹一下 tmpfs，也就是我們知道的虛擬內(nèi)存（virtual memory，VM）文件系統(tǒng)。Tmpfs 可能是現(xiàn)在 Linux 可以使用的最好的類似于 RAM 磁盤的系統(tǒng)，而且是 2.4 內(nèi)核的一個(gè)新功能。然后，我們將簡(jiǎn)單地介紹另一個(gè) 2.4 內(nèi)核的新功能，叫做“綁定安裝”，它在安裝（和重新安裝）文件系統(tǒng)的時(shí)候帶來了很大的靈活性。介紹 tmpfs
如果我必須一下子說清楚 tmpfs，我會(huì)說 tmpfs 就象虛擬磁盤（ramdisk），但不一樣。象虛擬磁盤一樣，tmpfs 可以使用您的 RAM，但它也可以使用您的交換分區(qū)來存儲(chǔ)。而且傳統(tǒng)的虛擬磁盤是個(gè)塊設(shè)備，并需要一個(gè) mkfs 之類的命令才能真正地使用它，tmpfs 是一個(gè)文件系統(tǒng)，而不是塊設(shè)備；您只是安裝它，它就可以使用了。總而言之，這讓 tmpfs 成為我有機(jī)會(huì)遇到的最好的基于 RAM 的文件系統(tǒng)。

tmpfs 和 VM
讓我們來看看 tmpfs 更有趣的一些特性吧。正如我前面提到的一樣，tmpfs 既可以使用 RAM，也可以使用交換分區(qū)。剛開始這看起來可能有點(diǎn)武斷，但請(qǐng)記住 tmpfs 也是我們知道的“虛擬內(nèi)存文件系統(tǒng)”。而且，您可能也知道，Linux 內(nèi)核的虛擬內(nèi)存資源同時(shí)來源于您的 RAM 和交換分區(qū)。內(nèi)核中的 VM 子系統(tǒng)將這些資源分配到系統(tǒng)中的其它部分，并負(fù)責(zé)在后臺(tái)管理這些資源，通常是透明地將 RAM 頁移動(dòng)到交換分區(qū)或從交換分區(qū)到 RAM 頁。

tmpfs 文件系統(tǒng)需要 VM 子系統(tǒng)的頁面來存儲(chǔ)文件。tmpfs 自己并不知道這些頁面是在交換分區(qū)還是在 RAM 中；做這種決定是 VM 子系統(tǒng)的工作。tmpfs 文件系統(tǒng)所知道的就是它正在使用某種形式的虛擬內(nèi)存。

不是塊設(shè)備
這里是 tmpfs 文件系統(tǒng)另一個(gè)有趣的特性。不同于大多數(shù)“標(biāo)準(zhǔn)的”文件系統(tǒng)，如 ext3、ext2、XFS、JFS、ReiserFS 和其它一些系統(tǒng)，tmpfs 并不是存在于一個(gè)底層塊設(shè)備上面。因?yàn)?tmpfs 是直接建立在 VM 之上的，您用一個(gè)簡(jiǎn)單的 mount 命令就可以創(chuàng)建 tmpfs 文件系統(tǒng)了。

# mount tmpfs /mnt/tmpfs -t tmpfs

執(zhí)行這個(gè)命令之后，一個(gè)新的 tmpfs 文件系統(tǒng)就安裝在 /mnt/tmpfs，隨時(shí)可以使用。注意，不需運(yùn)行 mkfs.tmpfs；事實(shí)上，那是不可能的，因?yàn)闆]有這樣的命令存在。在 mount 命令執(zhí)行之后，文件系統(tǒng)立即就被安裝并且可以使用了，類型是 tmpfs。這和 Linux 虛擬磁盤如何使用大相徑庭；標(biāo)準(zhǔn)的 Linux 虛擬磁盤是塊設(shè)備，所以在使用它們之前必須用您選擇的文件系統(tǒng)將其格式化。相反，tmpfs 是一個(gè)文件系統(tǒng)。所以，您可以簡(jiǎn)單地安裝它就可以使用了。

Tmpfs 的優(yōu)勢(shì)

動(dòng)態(tài)文件系統(tǒng)的大小
您可能想知道我們前面在 /mnt/tmpfs 安裝的 tmpfs 文件系統(tǒng)有多大。這個(gè)問題的答案有點(diǎn)意外，特別是在和基于磁盤的文件系統(tǒng)比較的時(shí)候。/mnt/tmpfs 最初會(huì)只有很小的空間，但隨著文件的復(fù)制和創(chuàng)建，tmpfs 文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序會(huì)分配更多的 VM，并按照需求動(dòng)態(tài)地增加文件系統(tǒng)的空間。而且，當(dāng) /mnt/tmpfs 中的文件被刪除時(shí)，tmpfs 文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序會(huì)動(dòng)態(tài)地減小文件系統(tǒng)并釋放 VM 資源，這樣做可以將 VM 返回到循環(huán)當(dāng)中以供系統(tǒng)中其它部分按需要使用。因?yàn)?VM 是寶貴的資源，所以您一定不希望任何東西浪費(fèi)超出它實(shí)際所需的 VM，tmpfs 的好處之一就在于這些都是自動(dòng)處理的。 請(qǐng)參閱參考資料。

速度
tmpfs 的另一個(gè)主要的好處是它閃電般的速度。因?yàn)榈湫偷?tmpfs 文件系統(tǒng)會(huì)完全駐留在 RAM 中，讀寫幾乎可以是瞬間的。即使用了一些交換分區(qū)，性能仍然是卓越的，當(dāng)更多空閑的 VM 資源可以使用時(shí)，這部分 tmpfs 文件系統(tǒng)會(huì)被移動(dòng)到 RAM 中去。讓 VM 子系統(tǒng)自動(dòng)地移動(dòng)部分 tmpfs 文件系統(tǒng)到交換分區(qū)實(shí)際上對(duì)性能上是好的，因?yàn)檫@樣做可以讓 VM 子系統(tǒng)為需要 RAM 的進(jìn)程釋放空間。這一點(diǎn)連同它動(dòng)態(tài)調(diào)整大小的能力，比選擇使用傳統(tǒng)的 RAM 磁盤可以讓操作系統(tǒng)有好得多的整體性能和靈活性。

沒有持久性
這看起來可能不象是個(gè)積極因素，tmpfs 數(shù)據(jù)在重新啟動(dòng)之后不會(huì)保留，因?yàn)樘摂M內(nèi)存本質(zhì)上就是易失的。我想您可能猜到了 tmpfs 被稱為“tmpfs”的一個(gè)原因，不是嗎？然而，這實(shí)際上可以是一件好事。它讓 tmpfs 成為一個(gè)保存您不需保留的數(shù)據(jù)（如臨時(shí)文件，可以在 /tmp 中找到，還有 /var 文件系統(tǒng)樹的某些部分）的卓越的文件系統(tǒng)。

使用 tmpfs
為了使用 tmpfs，您所需要的就是啟用了“Virtual memory file system support（以前是 shm fs）”選項(xiàng)的 2.4 系列內(nèi)核；這個(gè)選項(xiàng)在內(nèi)核配置選項(xiàng)的“File systems”部分。一旦您有了一個(gè)啟用了 tmpfs 的內(nèi)核，您就可以開始安裝 tmpfs 文件系統(tǒng)了。其實(shí)，在您所有的 2.4 內(nèi)核中都打開 tmpfs 選項(xiàng)是個(gè)好主意，不管您是否計(jì)劃使用 tmpfs。這是因?yàn)槟枰獌?nèi)核 tmpfs 支持來使用 POSIX 共享的內(nèi)存。然而，System V 共享的內(nèi)存不需要內(nèi)核中有 tmpfs 就可以工作。注意，您不需要為了讓 POSIX 共享的內(nèi)存工作而安裝 tmpfs 文件系統(tǒng)；您只需要在內(nèi)核中支持 tmpfs 就可以了。POSIX 共享的內(nèi)存現(xiàn)在使用得不太多，但這種情況可能會(huì)隨著時(shí)間而改變。

避免低 VM 情況
tmpfs 根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)增大或減小的事實(shí)讓人疑惑：如果您的 tmpfs 文件系統(tǒng)增大到它耗盡了所有虛擬內(nèi)存的程度，而您沒有剩余的 RAM 或交換分區(qū)，這時(shí)會(huì)發(fā)生什么？一般來說，這種情況是有點(diǎn)討厭。如果是 2.4.4 內(nèi)核，內(nèi)核會(huì)立即鎖定。如果是 2.4.6 內(nèi)核，VM 子系統(tǒng)已經(jīng)以很多種方式得到了修正，雖然耗盡 VM 并不是一個(gè)美好的經(jīng)歷，事情也不會(huì)完全地失敗。如果 2.4.6 內(nèi)核到了無法分配更多 VM 的程度，您顯然不愿意不能向 tmpfs 文件系統(tǒng)寫任何新數(shù)據(jù)。另外，可能會(huì)發(fā)生其他一些事情。首先，系統(tǒng)的其他一些進(jìn)程會(huì)無法分配更多的內(nèi)存；通常，這意味著系統(tǒng)多半會(huì)變得極度緩慢而且?guī)缀鯖]有響應(yīng)。這樣，超級(jí)用戶要采取必要的步驟來緩解這種低 VM 的情況就會(huì)很困難，或異常地耗時(shí)。

另外，內(nèi)核有一個(gè)內(nèi)建的最終防線系統(tǒng)，用來在沒有可用內(nèi)存的時(shí)候釋放內(nèi)存，它會(huì)找到占用 VM 資源的進(jìn)程并終止該進(jìn)程。不幸的是，這種“終止進(jìn)程”的解決方案在 tmpfs 的使用增加引起 VM 耗盡的情況下通常會(huì)導(dǎo)致不良后果。以下是原因。tmpfs 本身不能（也不應(yīng)該）被終止，因?yàn)樗莾?nèi)核的一部分而非一個(gè)用戶進(jìn)程，而且也沒有容易的方法可以讓內(nèi)核找出是那個(gè)進(jìn)程占滿了 tmpfs 文件系統(tǒng)。所以，內(nèi)核會(huì)錯(cuò)誤地攻擊它能找到的最大的占用 VM 的進(jìn)程，通常會(huì)是 X 服務(wù)器（X server），如果您碰巧在使用它。所以，您的 X 服務(wù)器會(huì)被終止，而引起低 VM 情況的根本原因（tmpfs）卻沒有被解決。Ick.

低 VM：解決方案
幸運(yùn)的是，tmpfs 允許您在安裝或重新安裝文件系統(tǒng)的時(shí)候指定文件系統(tǒng)容量的最大值上限。實(shí)際上，從 2.4.6 內(nèi)核到 2.11g 內(nèi)核，這些參數(shù)只能在安裝時(shí)設(shè)置，而不是重新安裝時(shí)，但我們可以期望在不久的將來可以在重新安裝時(shí)設(shè)置這些參數(shù)。tmpfs 容量最大值的最佳設(shè)置依賴于資源和您特定的 Linux 主機(jī)的使用模式；這個(gè)想法是要防止一個(gè)完全使用資源的 tmpfs 文件系統(tǒng)耗盡所有虛擬內(nèi)存結(jié)果導(dǎo)致我們前面談到的糟糕的低 VM 情況。尋找好的 tmpfs 上限值的一個(gè)好方法是使用 top 來監(jiān)控您系統(tǒng)的交換分區(qū)在高峰使用階段的使用情況。然后，確保指定的 tmpfs 上限稍小于所有這些高峰使用時(shí)間內(nèi)空閑交換分區(qū)和空閑 RAM 的總和。

創(chuàng)建有最大容量的 tmpfs 文件系統(tǒng)很容易。要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的最大 32 MB 的 tmpfs 文件系統(tǒng)，請(qǐng)鍵入：
# mount tmpfs /dev/shm -t tmpfs -o size=32m

這次，我們沒有把 tmpfs 文件系統(tǒng)安裝在 /mnt/tmpfs，而是創(chuàng)建在 /dev/shm，這正好是 tmpfs 文件系統(tǒng)的“正式”安裝點(diǎn)。如果您正好在使用 devfs，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)目錄已經(jīng)為您創(chuàng)建好了。

還有，如果我們想將文件系統(tǒng)的容量限制在 512 KB 或 1 GB 以內(nèi)，我們可以分別指定 size=512k 和 size=1g。除了限制容量，我們還可以通過指定 nr_inodes=x 參數(shù)限制索引節(jié)點(diǎn)（文件系統(tǒng)對(duì)象）。在使用 nr_inodes 時(shí)，x 可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的整數(shù)，后面還可以跟一個(gè) k、m 或 g 指定千、百萬或十億（！）個(gè)索引節(jié)點(diǎn)。

而且，如果您想把上面的 mount tmpfs 命令的等價(jià)功能添加到 /etc/fstab，應(yīng)該是這樣：



tmpfs /dev/shm tmpfs size=32m 0 0


在現(xiàn)存的安裝點(diǎn)上安裝
在以前使用 2.2 的時(shí)候，試圖在已經(jīng)安裝了東西的安裝點(diǎn)再次安裝任何東西都會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤。然而，重寫后的內(nèi)核安裝代碼使多次使用安裝點(diǎn)不再成為問題。這里是一個(gè)示例的情況：假設(shè)我們有一個(gè)現(xiàn)存的文件系統(tǒng)安裝在 /tmp。然而，我們決定要開始使用 tmpfs 進(jìn)行 /tmp 的存儲(chǔ)。過去，您唯一的選擇就是卸載 /tmp 并在其位置重新安裝您新的 tmpfs/tmp 文件系統(tǒng)，如下所示：



# umount /tmp

# mount tmpfs /tmp -t tmpfs -o size=64m

可是，這種解決方案也許對(duì)您不管用。可能有很多正在運(yùn)行的進(jìn)程在 /tmp 中有打開的文件；如果是這樣，在試圖卸載 /tmp 時(shí)，您就會(huì)遇到如下的錯(cuò)誤：

umount: /tmp: device is busy


然而，使用最近的 2.4 內(nèi)核，您可以安裝您新的 /tmp 文件系統(tǒng)，而不會(huì)遇到“device is busy”錯(cuò)誤：



# mount tmpfs /tmp -t tmpfs -o size=64m


用一條命令，您新的 tmpfs /tmp 文件系統(tǒng)就被安裝在 /tmp，并安裝在已經(jīng)安裝的不能再被直接訪問的分區(qū)之上。然而，雖然您不能訪問原來的 /tmp，任何在原文件系統(tǒng)上還有打開文件的進(jìn)程都可以繼續(xù)訪問它們。而且，如果您 unmount 基于 tmpfs 的 /tmp，原來安裝的 /tmp 文件系統(tǒng)會(huì)重新出現(xiàn)。實(shí)際上，您在相同的安裝點(diǎn)上可以安裝任意數(shù)目的文件系統(tǒng)，安裝點(diǎn)就象一個(gè)堆棧；卸載當(dāng)前的文件系統(tǒng)，上一個(gè)最近安裝的文件系統(tǒng)就會(huì)重新出現(xiàn)。

綁定安裝
使用綁定安裝，我們可以將所有甚至部分已經(jīng)安裝的文件系統(tǒng)安裝到另一個(gè)位置，而在兩個(gè)安裝點(diǎn)可以同時(shí)訪問該文件系統(tǒng)。例如，您可以使用綁定安裝來安裝您現(xiàn)存的根文件系統(tǒng)到 /home/drobbins/nifty，如下所示：



# mount --bind / /home/drobbins/nifty

現(xiàn)在，如果您觀察 /home/drobbins/nifty 的內(nèi)部，您就會(huì)看到您的根文件系統(tǒng)（/home/drobbins/nifty/etc、/home/drobbins/nifty/opt 等）。而且，如果您在根文件系統(tǒng)修改文件，您在 /home/drobbins/nifty 中也可以看到所作的改動(dòng)。這是因?yàn)樗鼈兪峭粋€(gè)文件系統(tǒng)；內(nèi)核只是簡(jiǎn)單地為我們將該文件系統(tǒng)映射到兩個(gè)不同的安裝點(diǎn)。注意，當(dāng)您在另一處安裝文件系統(tǒng)時(shí)，任何安裝在綁定安裝文件系統(tǒng)內(nèi)部的安裝點(diǎn)的文件系統(tǒng)都不會(huì)隨之移動(dòng)。換句話說，如果您在單獨(dú)的文件系統(tǒng)上有 /usr，我們前面執(zhí)行的綁定安裝就會(huì)讓 /home/drobbins/nifty/usr 為空。您會(huì)需要附加的綁定安裝命令來使您能夠?yàn)g覽位于 /home/drobbins/nifty/usr 的 /usr 的內(nèi)容：



# mount --bind /usr /home/drobbins/nifty/usr

綁定安裝部分文件系統(tǒng)
綁定安裝讓更妙的事情成為可能。假設(shè)您有一個(gè) tmpfs 文件系統(tǒng)安裝在它的傳統(tǒng)位置 /dev/shm，您決定要開始在當(dāng)前位于根文件系統(tǒng)的 /tmp 使用 tmpfs。雖然可以在 /tmp（這是可能的）安裝一個(gè)新的 tmpfs 文件系統(tǒng)，您也可以決定讓新的 /tmp 共享當(dāng)前安裝的 /dev/shm 文件系統(tǒng)。然而，雖然您可以在 /tmp 綁定安裝 /dev/shm 就完成了，但您的 /dev/shm 還包含一些您不想在 /tmp 出現(xiàn)的目錄。所以，您怎么做呢？這樣如何：



# mkdir /dev/shm/tmp



# chmod 1777 /dev/shm/tmp



# mount --bind /dev/shm/tmp /tmp


在這個(gè)示例中，我們首先創(chuàng)建了一個(gè) /dev/shm/tmp 目錄，然后給它 1777 權(quán)限，對(duì) /tmp 適當(dāng)?shù)脑S可。既然我們的目錄已經(jīng)準(zhǔn)備好了，我們可以安裝，也只能安裝 /dev/shm/tmp 到 /tmp。所以，雖然 /tmp/foo 會(huì)映射到 /dev/shm/tmp/foo，但您沒有辦法從 /tmp 訪問 /dev/shm/bar 文件。

正如您所見，綁定安裝非常強(qiáng)大，讓您可以輕易地修改文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，絲毫不必忙亂。