2.1 GFS的外部接口和架构
让我们从GFS的接口设计和架构设计说起吧。
2.1.1 GFS的外部接口
GFS采用了人们非常熟悉的接口，但是并没有实现POSIX的标准文件接口。GFS通常的操作包括create，delete，open，close，read，write，record append等，这些接口非常类似于POSIX定义的标准文件接口，但是不完全一致。
create，delete，open，close这几个接口的语义和POSIX标准接口类似，这里就不逐一强调说明了。下面详细介绍write和record append这两个接口的语义。
● write（随机写）：可以将任意长度的数据写入指定文件的位置，这个文件位置也被称为偏移（offset）。
● record append（尾部追加写）：可以原子地将长度小于16MB的数据写入指定文件的末尾。GFS之所以设计这个接口，是因为record append不是简单地将offset取值设置为文件末尾的write操作，而是不同于write的一个操作，并且是具有原子性的操作（后面的2.3节会解释原子性）。
write和record append都允许多个客户端并发操作一个文件，也就是允许一个文件被多个客户端同时打开和写入。
2.1.2 GFS的架构
GFS的架构如图2.1所示。
图2.1 GFS的架构（此图参考GFS的论文[1]）
GFS的主要架构组件有GFS client、GFS master和GFS chunkserver。一个GFS集群包括一个master和多个chunkserver，集群可以被多个GFS客户端访问。三个组件的详细说明如下：
● GFS客户端（GFS client）是运行在应用（application）进程里的代码，通常以SDK形式存在。
● GFS中的文件被分割成固定大小的块（chunk），每个chunk的长度固定为64MB。GFS chunkserver把这些chunk存储在本地的Linux文件系统中，也就是本地磁盘中。通常每个chunk会被保存三个副本（replica），也就是会被保存到三个chunkserver里。一个chunkserver会保存多个不同的chunk，每个chunk都会有一个标识，叫作块柄（chunk handle）。
● GFS master维护文件系统的元数据（metadata），包括：
■ 名字空间（namespace，也就是常规文件系统中的文件树）。
■ 访问控制信息。
■ 每个文件由哪些chunk构成。
■ 每个chunk的副本都存储在哪些chunkserver上，也就是块位置（chunk location）。
在这样的架构下，几个组件之间有如下交互过程。
1.客户端与master的交互
客户端可以根据chunk大小（即固定的64MB）和要操作的offset，计算出操作发生在第几个chunk上，也就是chunk的块索引号（chunk index）。在文件操作的过程中，客户端向master发送要操作的文件名和chunk index，并从master中获取要操作的chunk的chunk handle和chunk location。
客户端获取到chunk handle和chunk location后，会向chunk location中记录的chunkserver发送请求，请求操作这个chunkserver上标识为chunk handle的chunk。
如果一次读取的数据量超过了一个chunk的边界，那么客户端可以从master获取到多个chunk handle和chunk location，并且把这次文件读取操作分解成多个chunk读取操作。
同样，如果一次写入的数据量超过了一个chunk的边界，那么这次文件写入操作也会被分解为多个chunk写入操作。当写满一个chunk后，客户端需要向master发送创建新chunk的指令。
2.客户端向chunkserver写数据
客户端向要写入的chunk所在的三个chunkserver发送数据，每个chunkserver收到数据后，都会将数据写入本地的文件系统中。客户端收到三个chunkserver写入成功的回复后，会发送请求给master，告知master这个chunk写入成功，同时告知application写入成功。
这个写流程是高度简化和抽象的，实际的写流程更复杂，要考虑写入类型（是随机写还是尾部追加写），还要考虑并发写入（后面的2.2节会详细描述写流程，解释GFS是如何处理不同的写入类型和并发写入的）。
3.客户端从chunkserver读数据
客户端向要读取的chunk所在的其中一个chunkserver发送请求，请求中包含chunk handle和要读取的字节范围（byte range）。chunkserver根据chunk handle和byte range，从本地的文件系统中读取数据返回给客户端。与前面讲的写流程相比，这个读流程未做太多的简化和抽象，但对实际的读流程还会做一些优化（相关优化和本书主题关系不大，就不展开介绍了）。