FreeBSD下的内存文件系统

大多数操作系统，包括FreeBSD，通常使用磁盘来保存需要存储的数据。而操作系统采用文件的形式来保存数据，因此操作系统在磁盘上存储数据需要按照一定的格式进行，以便系统能够正确存储和访问文件，数据在磁盘上的组织格式被称为文件系统，不同的操作系统通常使用不同的数据组织格式，就是说使用不同的文件系统，例如FreeBSD使用UFS，而Linux使用Ext2FS等等。UFS是最古老和标准的Unix文件系统，但FreeBSD下对其进行了改进，主要目的是改善性能，改进后的文件系统也被称为FFS。

由于文件系统已经成为了操作系统访问外部磁盘数据的标准形式，操作系统很少直接访问磁盘获取数据。由于数据存储在实际应用中的重要意义，文件系统已经成为操作系统最基本的元素之一。进一步，多个操作系统可以通过同样的文件系统访问外部磁盘，而同一个操作系统也可以通过不同的文件系统访问不同的外部磁盘设备。这样一来，文件系统就成为了界于操作系统和外部磁盘设备之间的一个独立层次。

正是由于文件系统已经成为了独立的一个抽象层，因此可以在这个层次进行更为复杂的处理，例如不让文件系统从磁盘设备设备上读取数据，而是从网络上读取数据，就形成了网络文件系统，从内存中读取数据就形成了内存文件系统，对读取的数据进行加解密处理，就形成了加密文件系统，等等。

虚拟磁盘和内存文件系统

虽然目前磁盘的容量、速度和可靠性基本上能满足绝大多数应用系统的要求，但是在某些情况下，使用磁盘存储数据仍然存在一些问题。一个例子是在嵌入式系统中，系统通常没有磁盘，数据通常存储在各种不可擦写或可擦写型半导体芯片中。另一个常遇到的例子是应用系统对于数据访问要求特别高的性能，由于磁盘是一种机械设备，读写的性能总是有限的，不能满足应用系统的需要。

在这些例子中，在面对需要解决的问题的时候，通常有一个隐含前提，就是不改动操作系统和应用程序本身。如果可以改动系统，那么，人们就可以针对具体的需要设计另外一套完整的系统，上述问题事实上也就并不存在了。但是这种做法并不现实，因为这将意味着将全部操作系统和应用系统都推倒重来。因此，为了解决这些极端的需求，最简单的方法是在内存中分配一个区域作为文件系统的数据存储区，而不是使用磁盘作为存储设备，这样既能够满足操作系统对文件系统的需求，也能够满足应用系统的特殊需要。

使用内存作为文件系统基本上有两种不同的选择方式，最简单的方式是将内存中的一个区域模拟一个磁盘分区，然后就可以在这个虚拟磁盘上按照现有的文件系统组织数据，因此就需要初始化文件系统、装载与卸载等标准文件系统操作。另一种方法为重新设计一套全新的文件系统，其中并不包含任何磁盘的概念，但在系统中表现为一个标准文件系统。明显的，重新设计一套文件系统需要更多的工作量，因此，绝大多数情况下，人们使用第一种虚拟磁盘的方法。但是，现有的文件系统，如UFS等，都是基于磁盘设备而设计的，因此很多概念，比如按磁盘块读取数据、缓冲、碎片等等，都是针对磁盘设备提出的，理论上基于内存的存储不需要这些概念，因而也不会出现这些概念需要解决的一些问题。

由于内存文件系统是使用内存来模拟磁盘操作，因此数据都是在内存之间传输，就可以得到比较高的读写性能。当然，使用内存文件系统，一旦系统重新启动，所有的内容也就不再存在了，因此只能用来保存临时性的数据。也是由于是使用内存来保存数据，缓冲实质上没有任何意义，传统文件系统中的异步”async”和同步”sync”这两种概念的意义也不大了。

虽然从本质上讲，内存文件系统根本不需要缓冲，直接访问就能达到最好的效率，但是很难做到这一点，尤其是由于目前都还是使用内存来模拟一个磁盘设备的情况，内存文件系统事实上还是经过了缓冲。从这个地方，也可以看出目前使用的内存文件系统的弊病，内存文件系统本身占据了一份内存，磁盘缓冲又会占据一份内存，这样就导致了内存的浪费。在系统有交换分区存在的条件下，一旦系统内存紧张，该文件系统中的有关数据也会被交换到具体的交换设备上，同样避免不了对磁盘的物理访问，达不到提高性能的目的。而且一旦包括交换空间在内的所有虚拟内存用光，系统就无法正常提供服务了，从而影响系统的稳定性。

试图使内存文件系统绕过磁盘缓冲其实并不容易，这是因为在目前的操作系统中，磁盘是非常重要的一部分。非常重要的虚拟内存概念就是使用磁盘设备作为交换设备模拟内存，而磁盘缓冲而是通过内存来缓冲磁盘数据，虚拟内存、磁盘缓冲就是操作系统内存管理中的最基本元素，如何处理这两个部分，也是影响系统性能的最重要的因素。文件系统实质上是建立在操作系统的内存管理部分之上的，因此绕过这一部分，需要更困难的内核工作。

因此，对于高负载的服务器，使用内存文件系统实际上得不偿失，在系统内存很快用光的情况下，操作系统将进行磁盘交换，导致系统性能严重下降，这比起直接使用磁盘文件系统更为糟糕。事实上，在高负载的服务器环境下，允许系统使用更多的内存来缓冲磁盘数据，更有效的发挥系统的磁盘缓冲能力，在实际使用中更为有效。

使用MFS

FreeBSD下最基本的内存文件系统为MFS（Memory File System）文件系统，它是直接从虚拟内存中为文件系统申请空间。虽然它命名为MFS，实质上它还是使用的标准UFS的数据组织格式，仍然有扇区、磁盘块等基本概念，但是为了使用方便，它没有创建可以被直接访问的虚拟磁盘设备。实际上MFS是一个不完整的虚拟磁盘系统，由于它没有虚拟磁盘设备，因此导致在一些情况下它不能很方便的应用。

使用MFS需要内核中的”options MFS”支持，这个选项实质上是一个标准选项，在缺省情况下的FreeBSD内核都支持，因此一般不需要重新定制内核。然后就可以使用mount_mfs来安装内存文件系统，或者在标准mount命令中指定mfs选项。

# mount_mfs -s 131072 /dev/da0s1b /tmp

执行这个命令之后，mount_mfs就从虚拟内存中申请131072个扇区大小的内存，用来作为MFS文件系统的存储区域，并将该文件系统安装到/tmp目录下。这里使用/dev/da0s1b作为设备文件参数，这个磁盘分区为一个交换分区，它并不是实际使用的磁盘设备或虚拟磁盘，它的基本目的是用来满足mount_mfs的参数需要。即使系统中有多个交换设备，这也并不意味着MFS就只会交换到这个指定设备上，虚拟内存按照自己的规则分配物理内存或交换空间。

当然，使用交换设备作为参数事实上也起到了一些额外的作用，因为对于标准文件系统来讲，必须通过初始化的过程确定文件系统的组织格式，而MFS不需要独立的初始化过程，在mount_mfs操作的时候就同时执行了初始化，因而mount_mfs可以从这个设备文件中读取一些初始化相关的参数信息，例如每个扇区大小等，来初始化MFS文件系统。通常扇区尺寸为512字节，因此该文件系统总大小为64M。

这里就可以看出，基本的MFS是不存在虚拟磁盘设备的，mount_mfs直接申请内存并用作文件系统，而在mount命令中使用的设备参数为交换设备而非虚拟磁盘设备。一些情况下希望操作虚拟磁盘设备，那么使用MFS就不方便了。

使用vn伪设备

MFS是通过一个独立的文件系统来达到内存文件系统的目的，伪设备VN就是通过另一种方式来达到这个目的，它直接模拟一个虚拟的磁盘设备，那么在这个虚拟磁盘设备中可以应用各种不同的文件系统来保存数据。VN设备需要内核支持"pseudo-device

vn"配置和/dev目录下的设备文件vn0、vn0c等，这通常不是缺省配置，需要用户重新定制内核。

VN设备主要使用文件作为虚拟磁盘的存储空间，例如将光盘的镜像文件用作虚拟光盘设备，将软盘的镜像文件作为虚拟软盘设备等等。当然模拟是有一定限度的，主要用来模拟文件系统，例如虚拟光盘设备上就没有音轨数据，无法作为CD播放等等。

显然使用内存保存虚拟磁盘数据，与使用文件相比甚至更为简单。因此，VN设备也支持使用内存来模拟一个虚拟磁盘。VN设备需要使用vnconfig程序来控制虚拟磁盘设备，那么为指定虚拟磁盘磁盘申请内存，并配置该虚拟磁盘的操作为：

# vnconfig -s 131072 /dev/vn0c

这里使用-s参数指明申请内存空间的大小，而vn0c为空闲的虚拟磁盘设备。配置好了虚拟磁盘之后，就可以使用标准的磁盘操作命令对磁盘进行操作，包括文件系统的初始化。对于虚拟磁盘设备来讲，一般不需要分区操作，而是直接进行文件系统操作，事实上虚拟磁盘通常也没有分区的概念，fdisk命令也不识别虚拟磁盘，可以将虚拟磁盘设备当作一个完整的分区设备。这是因为在Unix下本来是没有磁盘分区的概念的，这个概念是DOS/PC概念，因此FreeBSD对磁盘分区的支持限于可能存在其他系统的物理磁盘，对于只用于Unix的虚拟磁盘，就不需要这个概念了。

# disklabel -r -w /dev/vn0c auto

# newfs /dev/vn0c

# mount /dev/vn0c /tmp

由于使用VN设备比起MFS来讲要多一个创建虚拟磁盘设备的过程，因此使用vnconfig就与使用mount_mfs不同，要略微麻烦一些，除了需要经历vnconfig配置虚拟磁盘之外，还需要初始化磁盘设备、创建文件系统等步骤。

显然，由于创建了虚拟磁盘设备，在这里就不再是裸的MFS系统，而是一个更为完善的虚拟磁盘系统。显然，这里就不需要MFS的帮助，而在newfs和mount时直接使用UFS文件系统。理论上可以使用各种不同的文件类型格式，并不限于是UFS。