Linux文件系统原理.docx

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Linux文件系统原理

Linux文件系统原理

第1章概述

要理解linux的文件系统，要从理解虚拟文件系统（VFS，VirtualFilesystem）开始。

其结构可以用图表1来描述。

图表1

第2章虚拟文件系统

2.1它到底是什么？

虚拟文件系统是Linux内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口。

它也提供了内核中的一个抽象功能，允许不同的文件系统共存。

2.2工作方式概述

2.2.1注册和安装一个文件系统

如果你想在内核中支持一种新的文件系统的话，你所需要做的仅仅是调用函数register_filesystem（）。

你向内核中传递一个描述文件系统实现的结构（structfilesystem），此结构将被加入到内核的支持文件系统表中去。

你可以运行下面的命令：

%cat/proc/filesystems

这样可以看到你的系统支持哪些文件系统。

内核模块必须提供两个用于加载和卸载时调用的接口，这两个接口由两个固定的宏引出，分别为module_init（），module_exit（）。

文件系统在作为模块被加载到内核时，调用register_filesystem（），把自己注册为一种文件系统。

在模块被卸载时，调用unregister_filesystem（）从内核中注消。

以JFFS为例：

//定义一种文件系统jffs_fs_type，其名称为“JFFS”

staticDECLARE_FSTYPE_DEV（jffs_fs_type，"jffs"，jffs_read_super）;

staticint__init

init_jffs_fs（void）

{

printk（KERN_INFO"JFFSversion"JFFS_VERSION_STRING

"，（C）1999，2000AxisCommunicationsAB\n"）;

#ifdefCONFIG_JFFS_PROC_FS

jffs_proc_root=proc_mkdir（"jffs"，proc_root_fs）;

#endif

fm_cache=kmem_cache_create（"jffs_fm"，sizeof（structjffs_fm），

0，SLAB_HWCACHE_ALIGN，NULL，NULL）;

node_cache=kmem_cache_create（"jffs_node"，sizeof（structjffs_node），

0，SLAB_HWCACHE_ALIGN，NULL，NULL）;

//注册文件系统

returnregister_filesystem（&jffs_fs_type）;

}

staticvoid__exit

exit_jffs_fs（void）

{

//注消文件系统

unregister_filesystem（&jffs_fs_type）;

kmem_cache_destroy（fm_cache）;

kmem_cache_destroy（node_cache）;

}

//引出模块的加载和卸载时调用的接口

module_init（init_jffs_fs）

module_exit（exit_jffs_fs）

当一个mount请求出现时，VFS将会为特定的文件系统调用相应的方法。

安装点的dentry结构将会被改为指向新文件系统的根i节点。

2.2.2打开一个文件

VFS实现了open系统调用。

路径参数被VFS用来在目录入口缓存（dentrycacheor"dcache"）。

这提供了一个将路径名转化为特定的dentry的一个快的查找机制。

一个单独的dentry通常包含一个指向i节点（inode）的指针。

i节点存在于磁盘驱动器上，它可以是一个规则文件，目录，FIFO文件，等等。

Dentry存在于RAM中，并且永远不会被存到磁盘上：

它们仅仅为了提高系统性能而存在。

i节点存在于磁盘上，当需要时被拷入内存中，之后对它的任何改变将被写回磁盘。

存在于RAM中的i节点就是VFS的i节点，dentry所包含的指针指向的就是它。

dcache是你的整个文件空间的观察点。

大多数情况下不可能有足够的RAM空间来放我们的文件空间的所有文件的目录入口缓存（dentry），所以我们的dcache会有缺少的项。

为了将路径名转换为一个dentry，VFS不得不采取创建dentry的方式，并在创建dentry时将指针指向相应的i节点。

这是通过对i节点的查找完成的。

为了查找一个文件的i节点（通常从磁盘上读），VFS需要调用该文件的父目录的lookup（）方法，此方法是特定的文件系统所设置的。

后面对此将会有更详尽的描述。

一旦VFS得到了所需要的dentry（同时也得到了相应的i节点），我们就能够对文件做想要的操作：

打开文件，或者用stat来看i节点中的数据。

stat的操作非常简单：

在VFS得到dentry之后，它取得inode中的一些数据并将其中的一部分送回用户空间。

打开一个文件需要其它的操作：

分配一个structfile（定义于linux/fs.h，这是内核中的文件描述）结构。

新分配的structfile结构被指向dentry的指针和对文件进行操作的函数集合所初始化，这些都是从i节点中得到的。

通过这种方式，特定的文件系统实现才能起作用。

文件结构（structfile）被放在进程的文件描述符表中。

读，写和关闭文件（或者其它的VFS操作）是通过使用用户空间的文件描述符找到相应的文件结构（structfile），然后调用所需要的方法函数来实现的。

当文件处于打开状态时，系统保持相应的dentry为"open"状态（正在使用），这表示相应的i节点在被使用。

2.3主要结构说明

2.3.1structfile_system_type

此结构描述了文件系统。

在内核2.4.18中，此结构的定义如下：

structfile_system_type{

constchar*name;

intfs_flags;

structsuper_block*（*read_super）（structsuper_block*，void*，int）;

structmodule*owner;

structfile_system_type*next;

structlist_headfs_supers;

};

其中各个域的意义：

name：

文件系统的类型名称，如"vfat"，"ext2"，等等。

fs_flags：

变量标志，如FS_REQUIRES_DEV，FS_NO_DCACHE，等等。

read_super：

当此种文件系统的一个新的实例要被安装时，此方法会被调用。

owner：

实例所在的模块，通常默认为THIS_MODULE。

next：

被内部的VFS实现所使用，你只需要将其初始化为NULL。

fs_supers：

超级块链表，初始化为NULL即可。

函数read_super具有以下的参数：

structsuper_block*sb：

超级块结构。

此结构的一部分被VFS初始化，余下的部分必须被函数read_super初始化。

void*data：

任意的安装选项，通常是ASCII的字符串。

在JFFS中没有使用。

intsilent：

表示当出现错误时是否保持安静。

（不报警?

）在JFFS中没有使用。

read_super方法必须确定指定的块设备是否包含了一个所支持的文件系统。

当成功时返回超级块结构的指针，错误时返回NULL。

read_super方法填充进超级块结构（structsuper_block）的最有用的域是"s_op"域。

这是一个指向structsuper_operations的指针，此结构描述了文件系统实现的下一层细节。

2.3.2structsuper_operations

此结构描述了VFS对文件系统的超级块所能进行的操作。

在内核2.4.18中，此结构的定义如下：

structsuper_operations{

void（*read_inode）（structinode*）;

void（*read_inode2）（structinode*，void*）;

void（*dirty_inode）（structinode*）;

void（*write_inode）（structinode*，int）;

void（*put_inode）（structinode*）;

void（*delete_inode）（structinode*）;

void（*put_super）（structsuper_block*）;

void（*write_super）（structsuper_block*）;

void（*write_super_lockfs）（structsuper_block*）;

void（*unlockfs）（structsuper_block*）;

int（*statfs）（structsuper_block*，structstatfs*）;

int（*remount_fs）（structsuper_block*，int*，char*）;

void（*clear_inode）（structinode*）;

void（*umount_begin）（structsuper_block*）;

structdentry*（*fh_to_dentry）（structsuper_block*sb，__u32*fh，intlen，intfhtype，intparent）;

int（*dentry_to_fh）（structdentry*，__u32*fh，int*lenp，intneed_parent）;

int（*show_options）（structseq_file*，structvfsmount*）;

};

除非特别提出，所有的方法都在未加锁的情况下被调用，这意味着大多数方法都可以安全的被阻塞。

所有的方法都仅仅在进程空间被调用（例如，在中断处理程序和底半部中不能调用它们）

read_inode：

从一个文件系统中读取一个特定的i节点时调用此方法。

i节点中的域"i_ino"被VFS初始化为指向所读的i节点，其余的域被此方法所填充。

read_inode2：

专为reiserfs留的，其它文件系统现在用不到。

write_inode：

当VFS需要向磁盘上的一个i节点写时调用。

put_inode：

当VFS的i节点被从i节点缓冲池移走时被调用。

此方法是可选的。

delete_inode：

当VFS想删除一个i节点时调用次方法。

notify_change：

当VFS的i节点的属性被改变时调用。

若此域为NULL则VFS会调用rite_inode。

此方法调用时需要锁住内核。

put_super：

当VFS要释放超级块时调用（umount一个文件系统）。

此方法调用时需要锁住内核。

write_super：

当VFS超级块需要被写入磁盘时被调用。

此方法为可选的。

statfs：

当VFS需要得到文件系统的统计数据时调用。

此方法调用时需要锁住内核。

remount_fs：

当文件系统被重新安装时调用。

此方法调用时需要锁住内核。

clear_inode：

当VFS清除i节点时调用。

可选项。

以上方法中，read_inode需要填充"i_op"域，此域为一个指向structinode_operations结构的指针，它描述了能够对一个单独的i节点所能进行的操作。

其它的一些域在很多文件系统里都没有使用，可以不用关心。

2.3.3structinode_operations

此结构描述了VFS能够对文件系统的一个i节点所能进行的操作。

在内核2.4.18中，此结构的定义如下：

structinode_operations{

int（*create）（structinode*，structdentry*，int）;

structdentry*（*lookup）（structinode*，structdentry*）;

int（*link）（structdentry*，structinode*，structdentry*）;

int（*unlink）（structinode*，structdentry*）;

int（*symlink）（structinode*，structdentry*，constchar*）;

int（*mkdir）（structinode*，structdentry*，int）;

int（*rmdir）（structinode*，structdentry*）;

int（*mknod）（structinode*，structdentry*，int，int）;

int（*rename）（structinode*，structdentry*，

structinode*，structdentry*）;

int（*readlink）（structdentry*，char*，int）;

int（*follow_link）（structdentry*，structnameidata*）;

void（*truncate）（structinode*）;

int（*permission）（structinode*，int）;

int（*revalidate）（structdentry*）;

int（*setattr）（structdentry*，structiattr*）;

int（*getattr）（structdentry*，structiattr*）;

};

create：

被open和creat所调用，仅仅在你要支持普通文件时才需要。

参数中的dentry不应该包含有i节点的指针（即应该为一个negativedentry）。

这里你可能需要对传入的dentry和i节点调用函数d_instantiate。

lookup：

当VFS要在一个父目录中查找一个i节点时调用。

待查找的文件名在dentry中。

此方法必须调用d_add函数把找到的i节点插入到dentry中，i节点的"i_count"域要加一。

若指定的i节点不存在的话，一个NULL的i节点指针将被插入到dentry中去（这种情况的dentry被称为negativedentry）。

link：

被link所调用。

仅在你需要支持hardlink时才需要它。

跟create方法相同的原因，你可能在此方法中也需要调用d_instantiate（）函数来验证。

unlink：

被unlink所调用。

仅在你要支持对i节点的删除时才需要它。

symlink：

被symlink调用。

仅在需要支持符号链接时才需要它。

通上面两处，你需要对传入的参数进行验证，要调用d_instantiate（）函数。

mkdir：

被mkdir调用。

仅在你要支持建立子目录时才需要它。

同上，你需要调用d_instantiate（）函数进行验证。

rmdir：

被rmdir所调用。

仅在你要支持对子目录的删除时才需要它。

mknod：

被mknod所调用，用于建立一个设备i节点，或者FIFO，或socket。

仅当你需要支持对这些类型的i节点的建立时才需要此方法。

同上面几个，你可能也需要调用_instantiate来验证参数。

rename：

被rename调用。

仅在你要支持对文件和目录改名时才需要它。

readlink：

被readlink调用。

仅当你要支持对符号链接的读取才需要它。

follow_link：

被VFS调用，用以从一个符号链接找到相应的i节点。

仅当你需要支持符号链接时才需要此方法。

2.3.4structfile_operations

结构file_operations包含了VFS对一个已打开文件的操作。

在内核2.4.18中，此结构的定义如下：

structfile_operations{

structmodule*owner;

loff_t（*llseek）（structfile*，loff_t，int）;

ssize_t（*read）（structfile*，char*，size_t，loff_t*）;

ssize_t（*write）（structfile*，constchar*，size_t，loff_t*）;

int（*readdir）（structfile*，void*，filldir_t）;

unsignedint（*poll）（structfile*，structpoll_table_struct*）;

int（*ioctl）（structinode*，structfile*，unsignedint，unsignedlong）;

int（*mmap）（structfile*，structvm_area_struct*）;

int（*open）（structinode*，structfile*）;

int（*flush）（structfile*）;

int（*release）（structinode*，structfile*）;

int（*fsync）（structfile*，structdentry*，intdatasync）;

int（*fasync）（int，structfile*，int）;

int（*lock）（structfile*，int，structfile_lock*）;

ssize_t（*readv）（structfile*，conststructiovec*，unsignedlong，loff_t*）;

ssize_t（*writev）（structfile*，conststructiovec*，unsignedlong，loff_t*）;

ssize_t（*sendpage）（structfile*，structpage*，int，size_t，loff_t*，int）;

unsignedlong（*get_unmapped_area）（structfile*，unsignedlong，unsignedlong，unsignedlong，unsignedlong）;

};

llseek：

当VFS需要移动文件指针的位置时调用。

read：

被read所调用。

write：

被write所调用。

readdir：

当VFS需要读取目录中的内容时被调用。

poll：

当一个进程想知道文件是否可用是调用，进程可以一直休眠等待文件可用。

功能有点类似SOCKET中的select。

ioctl：

被ioctl所调用。

mmap：

被mmap所调用。

open：

当VFS要打开一个i节点时调用它。

当VFS打开一个文件时，它建立一个新的structfile结构，并用i节点中的"default_file_ops"来初始化其中的f_op域，然后对新分配的文件结构调用open方法。

你可以认为open方法实际上属于structinode_operations。

open方法是一个很好的初始化文件结构中的"private_data"域的的地方。

release：

当没有对被打开文件的引用时调用此方法。

fsync：

被fsync所调用。

fasync：

当用fcntl激活一个文件的异步模式时此方法被调用。

这些文件操作是由i节点所在的特定文件系统所实现的。

当打开一个设备节点时（字符或块设备特殊文件），大多数文件系统会调用VFS中的特定支持例程，由此来找到所需要的设备驱动信息；

这些支持例程用设备驱动程序的方法来代替文件系统的文件操作，然后继续对文件调用新的open方法。

这就是为什么当你打开文件系统上的一个设备特殊文件时，最后被调用的却是设备驱动程序的open方法。

另外，devfs（DeviceFilesystem）有一个从设备节点到设备驱动程序的更直接的方式（这是非官方的内核补丁）

2.3.5structdentry_operations

operations.Dentries和dcache是属于VFS和单个文件系统实现的，设备驱动与此无关。

在内核2.4.18中，此结构的定义如下：

structdentry_operations{

int（*d_revalidate）（structdentry*，int）;

int（*d_hash）（structdentry*，structqstr*）;

int（*d_compare）（structdentry*，structqstr*，structqstr*）;

int（*d_delete）（structdentry*）;

void（*d_release）（structdentry*）;

void（*d_iput）（structdentry*，structinode*）;

};

d_revalidate：

当VFS要使一个dentry重新生效时被调用。

d_hash：

当VFS向哈希表中加入一个dentry时被调用。

d_compare：

当指向一个dentry的最后的引用被去除时此方法被调用，因为这意味这没有人在使用此dentry;当然，此dentry仍然有效，并且仍然在dcache中。

d_release：

当一个dentry被清除时调用此方法。

d_iput：

当一个dentry释放它的i节点时（在dentry被清除之前）此方法被调用。

为空时自动调用VFS的input（），如果定义了这个函数，那要自己调用input（）。

每个dentry都有一个指向其父目录dentry的指针，一个子dentry的哈希列表。

子dentry基本上就是目录中的文件。

dget：

为一个已经存在的dentry打开一个新的句柄（这仅仅增加引用计数）

dput：

关闭一个dentry的句柄（减少引用计数）。

如果引用计数减少为0，d_delete方法将会被调用；并且，如果此dentry仍然在其父目录的哈希列表中的话，此dentry将被放置于一个未被使用的列表中。

将dentry放置于未使用表中意味着当系统需要更多的RAM时，将会遍历未使用的dentry的列表，并回收其内存空间。

假如当detry的引用计数为0时，它已经没有在父目录的哈希表中的话，在d_delete方法被调用之后系统就会回收起内存空间。

d_drop：

此方法将一个dentry从其父目录的哈希列表中去掉