《Linux核心設計與實現》讀書筆記(十三)- 虛擬檔案系統

wang_yb發表於2013-06-19

虛擬檔案系統(VFS)是linux核心和具體I/O裝置之間的封裝的一層共通訪問介面,通過這層介面,linux核心可以以同一的方式訪問各種I/O裝置。

虛擬檔案系統本身是linux核心的一部分,是純軟體的東西,並不需要任何硬體的支援。

 

主要內容:

  • 虛擬檔案系統的作用
  • 虛擬檔案系統的4個主要物件
  • 檔案系統相關的資料結構
  • 程式相關的資料結構
  • 小結

 

 

1. 虛擬檔案系統的作用

虛擬檔案系統(VFS)是linux核心和儲存裝置之間的抽象層,主要有以下好處。

- 簡化了應用程式的開發:應用通過統一的系統呼叫訪問各種儲存介質

- 簡化了新檔案系統加入核心的過程:新檔案系統只要實現VFS的各個介面即可,不需要修改核心部分

 

2. 虛擬檔案系統的4個主要物件

虛擬檔案中的4個主要物件,具體每個物件的含義參見如下的詳細介紹。

 

2.1 超級塊

超級塊(super_block)主要儲存檔案系統相關的資訊,這是個針對檔案系統級別的概念。

它一般儲存在磁碟的特定扇區中,但是對於那些基於記憶體的檔案系統(比如proc,sysfs),超級塊是在使用時建立在記憶體中的。

 

超級塊的定義在:<linux/fs.h>

/* 
 * 超級塊結構中定義的欄位非常多,
 * 這裡只介紹一些重要的屬性
 */
struct super_block {
    struct list_head    s_list;               /* 指向所有超級塊的連結串列 */
    const struct super_operations    *s_op; /* 超級塊方法 */
    struct dentry        *s_root;           /* 目錄掛載點 */
    struct mutex        s_lock;            /* 超級塊訊號量 */
    int            s_count;                   /* 超級塊引用計數 */

    struct list_head    s_inodes;           /* inode連結串列 */
    struct mtd_info        *s_mtd;            /* 儲存磁碟資訊 */
    fmode_t            s_mode;                /* 安裝許可權 */
};

/*
 * 其中的 s_op 中定義了超級塊的操作方法
 * 這裡只介紹一些相對重要的函式
 */
struct super_operations {
       struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); /* 建立和初始化一個索引節點物件 */
    void (*destroy_inode)(struct inode *);                /* 釋放給定的索引節點 */

       void (*dirty_inode) (struct inode *);                 /* VFS在索引節點被修改時會呼叫這個函式 */
    int (*write_inode) (struct inode *, int);             /* 將索引節點寫入磁碟,wait表示寫操作是否需要同步 */
    void (*drop_inode) (struct inode *);                  /* 最後一個指向索引節點的引用被刪除後,VFS會呼叫這個函式 */
    void (*delete_inode) (struct inode *);                /* 從磁碟上刪除指定的索引節點 */
    void (*put_super) (struct super_block *);             /* 解除安裝檔案系統時由VFS呼叫,用來釋放超級塊 */
    void (*write_super) (struct super_block *);           /* 用給定的超級塊更新磁碟上的超級塊 */
    int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);     /* 使檔案系統中的資料與磁碟上的資料同步 */
    int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);    /* VFS呼叫該函式獲取檔案系統狀態 */
    int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *); /* 指定新的安裝選項重新安裝檔案系統時,VFS會呼叫該函式 */
    void (*clear_inode) (struct inode *);                 /* VFS呼叫該函式釋放索引節點,並清空包含相關資料的所有頁面 */
    void (*umount_begin) (struct super_block *);          /* VFS呼叫該函式中斷安裝操作 */
};

 

2.2 索引節點

索引節點是VFS中的核心概念,它包含核心在操作檔案或目錄時需要的全部資訊。

一個索引節點代表檔案系統中的一個檔案(這裡的檔案不僅是指我們平時所認為的普通的檔案,還包括目錄,特殊裝置檔案等等)。

索引節點和超級塊一樣是實際儲存在磁碟上的,當被應用程式訪問到時才會在記憶體中建立。

 

索引節點定義在:<linux/fs.h>

/* 
 * 索引節點結構中定義的欄位非常多,
 * 這裡只介紹一些重要的屬性
 */
struct inode {
    struct hlist_node    i_hash;     /* 雜湊表,用於快速查詢inode */
    struct list_head    i_list;        /* 索引節點連結串列 */
    struct list_head    i_sb_list;  /* 超級塊連結串列超級塊  */
    struct list_head    i_dentry;   /* 目錄項鍊表 */
    unsigned long        i_ino;      /* 節點號 */
    atomic_t        i_count;        /* 引用計數 */
    unsigned int        i_nlink;    /* 硬連結數 */
    uid_t            i_uid;          /* 使用者id */
    gid_t            i_gid;          /* 使用組id */
    struct timespec        i_atime;    /* 最後訪問時間 */
    struct timespec        i_mtime;    /* 最後修改時間 */
    struct timespec        i_ctime;    /* 最後改變時間 */
    const struct inode_operations    *i_op;  /* 索引節點操作函式 */
    const struct file_operations    *i_fop;    /* 預設的索引節點操作 */
    struct super_block    *i_sb;              /* 相關的超級塊 */
    struct address_space    *i_mapping;     /* 相關的地址對映 */
    struct address_space    i_data;         /* 裝置地址對映 */
    unsigned int        i_flags;            /* 檔案系統標誌 */
    void            *i_private;             /* fs 私有指標 */
};

/*
 * 其中的 i_op 中定義了索引節點的操作方法
 * 這裡只介紹一些相對重要的函式
 */
struct inode_operations {
    /* 為dentry物件創造一個新的索引節點 */
    int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
    /* 在特定資料夾中尋找索引節點,該索引節點要對應於dentry中給出的檔名 */
    struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
    /* 建立硬連結 */
    int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
    /* 從一個符號連結查詢它指向的索引節點 */
    void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
    /* 在 follow_link呼叫之後,該函式由VFS呼叫進行清除工作 */
    void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *);
    /* 該函式由VFS呼叫,用於修改檔案的大小 */
    void (*truncate) (struct inode *);
};

 

2.3 目錄項

和超級塊和索引節點不同,目錄項並不是實際存在於磁碟上的。

在使用的時候在記憶體中建立目錄項物件,其實通過索引節點已經可以定位到指定的檔案,

但是索引節點物件的屬性非常多,在查詢,比較檔案時,直接用索引節點效率不高,所以引入了目錄項的概念。

 

路徑中的每個部分都是一個目錄項,比如路徑: /mnt/cdrom/foo/bar 其中包含5個目錄項,/ mnt cdrom foo bar

 

每個目錄項物件都有3種狀態:被使用,未使用和負狀態

- 被使用:對應一個有效的索引節點,並且該物件由一個或多個使用者

- 未使用:對應一個有效的索引節點,但是VFS當前並沒有使用這個目錄項

- 負狀態:沒有對應的有效索引節點(可能索引節點被刪除或者路徑不存在了)

 

目錄項的目的就是提高檔案查詢,比較的效率,所以訪問過的目錄項都會快取在slab中。

slab中快取的名稱一般就是 dentry,可以通過如下命令檢視:

[wangyubin@localhost kernel]$ sudo cat /proc/slabinfo | grep dentry
dentry            212545 212625    192   21    1 : tunables    0    0    0 : slabdata  10125  10125      0

 

目錄項定義在:<linux/dcache.h>

/* 目錄項物件結構 */
struct dentry {
    atomic_t d_count;       /* 使用計數 */
    unsigned int d_flags;   /* 目錄項標識 */
    spinlock_t d_lock;        /* 單目錄項鎖 */
    int d_mounted;          /* 是否登入點的目錄項 */
    struct inode *d_inode;    /* 相關聯的索引節點 */
    struct hlist_node d_hash;    /* 雜湊表 */
    struct dentry *d_parent;    /* 父目錄的目錄項物件 */
    struct qstr d_name;         /* 目錄項名稱 */
    struct list_head d_lru;        /* 未使用的連結串列 */
    /*
     * d_child and d_rcu can share memory
     */
    union {
        struct list_head d_child;    /* child of parent list */
         struct rcu_head d_rcu;
    } d_u;
    struct list_head d_subdirs;    /* 子目錄連結串列 */
    struct list_head d_alias;    /* 索引節點別名連結串列 */
    unsigned long d_time;        /* 重置時間 */
    const struct dentry_operations *d_op; /* 目錄項操作相關函式 */
    struct super_block *d_sb;    /* 檔案的超級塊 */
    void *d_fsdata;            /* 檔案系統特有資料 */

    unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN];    /* 短檔名 */
};

/* 目錄項相關操作函式 */
struct dentry_operations {
    /* 該函式判斷目錄項物件是否有效。VFS準備從dcache中使用一個目錄項時會呼叫這個函式 */
    int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
    /* 為目錄項物件生成hash值 */
    int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
    /* 比較 qstr 型別的2個檔名 */
    int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
    /* 當目錄項物件的 d_count 為0時,VFS呼叫這個函式 */
    int (*d_delete)(struct dentry *);
    /* 當目錄項物件將要被釋放時,VFS呼叫該函式 */
    void (*d_release)(struct dentry *);
    /* 當目錄項物件丟失其索引節點時(也就是磁碟索引節點被刪除了),VFS會呼叫該函式 */
    void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
    char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
};

 

2.4 檔案物件

檔案物件表示程式已開啟的檔案,從使用者角度來看,我們在程式碼中操作的就是一個檔案物件。

檔案物件反過來指向一個目錄項物件(目錄項反過來指向一個索引節點)

其實只有目錄項物件才表示一個已開啟的實際檔案,雖然一個檔案對應的檔案物件不是唯一的,但其對應的索引節點和目錄項物件卻是唯一的。

 

檔案物件的定義在: <linux/fs.h>

/* 
 * 檔案物件結構中定義的欄位非常多,
 * 這裡只介紹一些重要的屬性
 */
struct file {
    union {
        struct list_head    fu_list;    /* 檔案物件連結串列 */
        struct rcu_head     fu_rcuhead; /* 釋放之後的RCU連結串列 */
    } f_u;
    struct path        f_path;             /* 包含的目錄項 */
    const struct file_operations    *f_op; /* 檔案操作函式 */
    atomic_long_t        f_count;        /* 檔案物件引用計數 */
};

/*
 * 其中的 f_op 中定義了檔案物件的操作方法
 * 這裡只介紹一些相對重要的函式
 */
struct file_operations {
    /* 用於更新偏移量指標,由系統呼叫lleek()呼叫它 */
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    /* 由系統呼叫read()呼叫它 */
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    /* 由系統呼叫write()呼叫它 */
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    /* 由系統呼叫 aio_read() 呼叫它 */
    ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
    /* 由系統呼叫 aio_write() 呼叫它 */
    ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
    /* 將給定檔案對映到指定的地址空間上,由系統呼叫 mmap 呼叫它 */
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    /* 建立一個新的檔案物件,並將它和相應的索引節點物件關聯起來 */
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    /* 當已開啟檔案的引用計數減少時,VFS呼叫該函式 */
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
};

 

2.5 四個物件之間關係圖

上面分別介紹了4種物件分別的屬性和方法,下面用圖來展示這4個物件的和VFS之間關係以及4個物件之間的關係。

(這個圖是根據我自己的理解畫出來的,如果由錯誤請幫忙指出,謝謝!)

VFS-4-objs

 

VFS-4-objs-2

 

3. 檔案系統相關的資料結構

處理上面4個主要的物件之外,VFS中還有2個專門針對檔案系統的2個物件,

- struct file_system_type: 用來描述檔案系統的型別(比如ext3,ntfs等等)

- struct vfsmount        : 描述一個安裝檔案系統的例項

 

file_system_type 結構體位於:<linux/fs.h>

struct file_system_type {
    const char *name;   /* 檔案系統名稱 */
    int fs_flags;       /* 檔案系統型別標誌 */
    /* 從磁碟中讀取超級塊,並且在檔案系統被安裝時,在記憶體中組裝超級塊物件 */
    int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
               const char *, void *, struct vfsmount *);
    /* 終止訪問超級塊 */
    void (*kill_sb) (struct super_block *);
    struct module *owner;           /* 檔案系統模組 */
    struct file_system_type * next; /* 連結串列中下一個檔案系統型別 */
    struct list_head fs_supers;     /* 超級塊物件連結串列 */

    /* 下面都是執行時的鎖 */
    struct lock_class_key s_lock_key;
    struct lock_class_key s_umount_key;

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

每種檔案系統,不管由多少個例項安裝到系統中,還是根本沒有安裝到系統中,都只有一個 file_system_type 結構。

 

當檔案系統被實際安裝時,會在安裝點建立一個 vfsmount 結構體。

結構體代表檔案系統的例項,也就是檔案系統被安裝幾次,就會建立幾個 vfsmount

vfsmount 的定義參見:<linux/mount.h>

struct vfsmount {
    struct list_head mnt_hash;      /* 雜湊表 */
    struct vfsmount *mnt_parent;    /* 父檔案系統,也就是要掛載到哪個檔案系統 */
    struct dentry *mnt_mountpoint;    /* 安裝點的目錄項 */
    struct dentry *mnt_root;        /* 該檔案系統的根目錄項 */
    struct super_block *mnt_sb;        /* 該檔案系統的超級塊 */
    struct list_head mnt_mounts;    /* 子檔案系統連結串列 */
    struct list_head mnt_child;        /* 子檔案系統連結串列 */
    int mnt_flags;                  /* 安裝標誌 */
    /* 4 bytes hole on 64bits arches */
    const char *mnt_devname;        /* 裝置檔名 e.g. /dev/dsk/hda1 */
    struct list_head mnt_list;      /* 描述符連結串列 */
    struct list_head mnt_expire;    /* 到期連結串列的入口 */
    struct list_head mnt_share;        /* 共享安裝連結串列的入口 */
    struct list_head mnt_slave_list;/* 從安裝連結串列 */
    struct list_head mnt_slave;        /* 從安裝連結串列的入口 */
    struct vfsmount *mnt_master;    /* 從安裝連結串列的主人 */
    struct mnt_namespace *mnt_ns;    /* 相關的名稱空間 */
    int mnt_id;            /* 安裝識別符號 */
    int mnt_group_id;        /* 組識別符號 */
    /*
     * We put mnt_count & mnt_expiry_mark at the end of struct vfsmount
     * to let these frequently modified fields in a separate cache line
     * (so that reads of mnt_flags wont ping-pong on SMP machines)
     */
    atomic_t mnt_count;         /* 使用計數 */
    int mnt_expiry_mark;        /* 如果標記為到期,則為 True */
    int mnt_pinned;             /* "釘住"程式計數 */
    int mnt_ghosts;             /* "映象"引用計數 */
#ifdef CONFIG_SMP
    int *mnt_writers;           /* 寫者引用計數 */
#else
    int mnt_writers;            /* 寫者引用計數 */
#endif
};

 

4. 程式相關的資料結構

以上介紹的都是在核心角度看到的 VFS 各個結構,所以結構體中包含的屬性非常多。

而從程式的角度來看的話,大多數時候並不需要那麼多的屬性,所有VFS通過以下3個結構體和程式緊密聯絡在一起。

- struct files_struct  :由程式描述符中的 files 目錄項指向,所有與單個程式相關的資訊(比如開啟的檔案和檔案描述符)都包含在其中。

- struct fs_struct     :由程式描述符中的 fs 域指向,包含檔案系統和程式相關的資訊。

- struct mmt_namespace :由程式描述符中的 mmt_namespace 域指向。

 

struct files_struct 位於:<linux/fdtable.h>

struct files_struct {
    atomic_t count;      /* 使用計數 */
    struct fdtable *fdt; /* 指向其他fd表的指標 */
    struct fdtable fdtab;/* 基 fd 表 */
    spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp; /* 單個檔案的鎖 */
    int next_fd;                                       /* 快取下一個可用的fd */
    struct embedded_fd_set close_on_exec_init;         /* exec()時關閉的檔案描述符連結串列 */
    struct embedded_fd_set open_fds_init;              /* 開啟的檔案描述符連結串列 */
    struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];           /* 預設的檔案物件陣列 */
};

 

struct fs_struct 位於:<linux/fs_struct.h>

struct fs_struct {
    int users;               /* 使用者數目 */
    rwlock_t lock;           /* 保護結構體的讀寫鎖 */
    int umask;               /* 掩碼 */
    int in_exec;             /* 當前正在執行的檔案 */
    struct path root, pwd;   /* 根目錄路徑和當前工作目錄路徑 */
};

 

struct mmt_namespace 位於:<linux/mmt_namespace.h>

但是在2.6核心之後似乎沒有這個結構體了,而是用 struct nsproxy 來代替。

以下是 struct task_struct 結構體中關於檔案系統的3個屬性。

struct task_struct 的定義位於:<linux/sched.h>

/* filesystem information */
    struct fs_struct *fs;
/* open file information */
    struct files_struct *files;
/* namespaces */
    struct nsproxy *nsproxy;

 

5. 小結

VFS 統一了檔案系統的實現框架,使得在linux上實現新檔案系統的工作變得簡單。

目前linux核心中已經支援60多種檔案系統,具體支援的檔案系統可以檢視 核心原始碼 fs 資料夾下的內容。

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