《Linux内核设计与实现》笔记——VFS

Posted 2020-08-02 xcy6666

关于VFS有一篇很好的博客http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-vfs/
建议先阅读本文为基础，然后继续阅读该文章。

VFS，虚拟文件系统，为用户提供了文件和文件系统相关的接口。
这些接口可以跨越各种文件系统和不同介质执行。
VFS提供了一个通用文件系统模型，该模型囊括了任何文件系统的常用功能集和行为。

该模型偏重于Unix风格的文件系统。

数据结构关系

如下图，下图描述了VFS相关数据结构的关系

Unix文件系统

Unix使用了4个和文件系统相关的传统概念：文件，目录项，索引节点，安装点(mount point)

文件

简单的面向字节流的抽象

目录项

文件通过目录组织起来，目录中的每一个部分都是一个目录条目, /home/wolfman/butter , / , home, wolfman , butter 都是目录条目，统称为目录项

索引节点

Unix文件系统，将文件的相关信息和文件本身区分开来。文件控制信息，如权限，拥有者，大小，创建时间等”元数据”,被存储在一个单独的数据结构中，该结构被称为索引节点inode

安装点/挂载点

linux中的磁盘文件系统的入口目录，类似于windows中的用来访问不同分区的C:、D:、E:等盘符。[百度百科词条]

文件系统的信息存储在超级块中，集单独文件信息和文件系统信息于一身。
对于FAT，NTFS这种，虽然也可以在Linux上工作，但必须进行封装。比如:一个文件系统不支持索引节点，也必须在内存中装配索引节点结构体，就像它本身包含一样。

VFS对象及数据结构

• 超级块对象

  • 代表一个具体的已安装文件系统，由super_block结构体表示，定义于<linux/fs.h>
  • 包含操作对象super_operations对象，包括内核针对特定文件系统所能调用的方法，定义于<linux/fs.h>
    
    • 超级块对象通过alloc_super()函数创建并初始化。在文件系统安装时，文件系统会调用该函数以便从磁盘读取文件系统超级块，并将其信息填充到内存中的超级块对象中
  • 各种文件系统都必须实现超级块对象，该对象用于存储特定文件系统信息，通常对应于存放在磁盘特定扇区的文件系统超级块或系统控制块。
    super_block
    http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/fs.h?v=3.11#L1242
    super_operations
    http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/fs.h?v=3.11#L1604

• 索引节点对象

  • 代表一个具体文件，包含了内核在操作文件或目录时需要的全部信息，由inode结构体表示，定义于<linux/fs.h>
    
    • unix风格的文件系统可以直接从磁盘索引节点读入，如果一个文件系统没有索引节点，文件系统需要从磁盘上提取相关信息（没有inode的文件系统通常将文件描述信息作为文件的一部分）
    • 索引节点必须在内存中创建，以便于文件系统使用
  • 包含操作对象inode_operations对象，包括针对特定文件所能调用的方法，定义于<linux/fs.h>
  • 索引节点代表文件系统中的一个文件（但索引节点仅当文件被访问时，才在内存中创建），也可以是设备或管道这样的特殊文件
    inode
    http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/fs.h?v=3.11#L523
    inode_operations
    http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/fs.h?v=3.11#L1559
• 目录项对象
  
  • 代表一个目录项，是路径的一个组成部分，由dentry结构体表示，定义于<linux/dcache.h>
  • 包含dentry_operations对象，其中包括内核针对特定目录所能调用的方法，定义<linux/dcache.h>
  • VFS把目录当文件对待，路径中的每一个组成部分都由一个索引节点对象表示。为方便查找操作，vfs引入目录项，每个dentry代表路径中的一个特定部分,/bin/vi,这个路径，/，bin，vi（文件）都是目录项对象。
  • 目录项也可包括安装点，/mnt/cdrom/foo，构成元素/，mnt，cdrom，foo都是目录项
  • vfs在执行目录操作时，如果需要会现场创建目录项对象。
  • 目录学没有对应的磁盘数据结构，vfs根据字符串路径名现场创建
  • 目录项缓存在目录项缓存dcache中，以加速查找操作
    dentry
    http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/dcache.h?v=3.11#L106
    dentry_operations
    http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/dcache.h?v=3.11#L148
• 文件对象
  
  • 代表由进程打开的文件，由file结构体表示，定义于<linux/fs.h>
  • 包含file_operations对象，其中包括进程针对已经打开的文件所能调用的方法，定义于<linux/fs.h>
  • 多个进程可以同时打开和操作同一个文件，所以同一个文件可能对应多个文件对象。
  • 文件对象仅在进程观点上代表已打开文件，它反过来指向dentry（反过来指向inode），只有目录项才代表打开的实际文件。文件对应的文件对象不是唯一的，但对应的索引节点和目录项对象和文件是唯一的。
    file
    http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/fs.h?v=3.11#L765
    file_operations
    http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/fs.h?v=3.11#L1528
    因为VFS将目录作为一个文件来处理，所以不存在目录对象。

其他相关数据结构

和文件系统相关的数据结构

• file_system_type
  
  • 用来描述各种特定文件系统,定义于<linux/fs.h>，如ext3，ext4
  • 每种文件系统，不论是否被安装，都只有一个file_system_type结构体
    kernel 3.11

struct file_system_type {
         const char *name;
         int fs_flags;
#define FS_REQUIRES_DEV         1 
#define FS_BINARY_MOUNTDATA     2
#define FS_HAS_SUBTYPE          4
#define FS_USERNS_MOUNT         8       //Can be mounted by userns root 
#define FS_USERNS_DEV_MOUNT     16 // A userns mount does not imply MNT_NODEV 
#define FS_RENAME_DOES_D_MOVE   32768   /* FS will handle d_move() during rename() internally. */
         struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,const char *, void *);
        void (*kill_sb) (struct super_block *);
        struct module *owner;
        struct file_system_type * next;
        struct hlist_head fs_supers;

        struct lock_class_key s_lock_key;
        struct lock_class_key s_umount_key;
        struct lock_class_key s_vfs_rename_key;
        struct lock_class_key s_writers_key[SB_FREEZE_LEVELS];

        struct lock_class_key i_lock_key;
        struct lock_class_key i_mutex_key;
        struct lock_class_key i_mutex_dir_key;
};

• vfsmont
  
  • 用来描述一个安装文件系统的实例，定义于<linux/mount.h>
  • 文件系统被实际安装时，一个vfsmount结构在安装点创建，代表文件系统的实例，换句话说，代表安装点。

struct vfsmount {
     struct dentry *mnt_root;/* root of the mounted tree */
     struct super_block *mnt_sb;/* pointer to superblock */
     int mnt_flags;
};

和进程相关的数据结构

file_struct
定义于<linux/fdtable.h> 与单个进程相关的信息都包含在内
fs_struct
定义于<linux/fs_struct.h> 包含文件系统和进程相关信息
namespace
定义于<linux/mnt_namespace.h>
使得每一个进程在系统中看到唯一的安装文件系统，不仅是唯一的根目录，而是唯一的文件系统层次结构

Linux存储栈

[ https://www.thomaskrenn.com/en/wiki/Linux_Storage_Stack_Diagram ]