LInux中的文件系统1

2017-03-08 10:37:55

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一、虚拟文件系统VFS

文件系统用于将位于磁盘上的文件按照某种方式组织进内存，并给上层应用程序提供统一的访问接口。Linux支持多种文件系统EXT2/3，NTFS，XFS等，而LInux下支持这些文件系统的方式就是VFS，即虚拟文件系统。虚拟文件系统向上层提供统一的调用接口，向下层请求具体的文件系统。整理架构如图所示。

如上图所描述的，应用程序通过C语言库函数，请求对文件的访问。库函数会调用系统提供的系统调用进入内核，而这里的系统调用不过是一般函数的封装，具体还是要调用VFS提供的调用接口。

虚拟文件系统之所以成为虚拟，源自于其本身并不参与实质性的工作，而是仅仅定义了一组调用接口，像是一个规范一样。这组接口涵盖了几乎所有的文件操作。具体的文件系统不必实现VFS定义的所有操作，只需要根据自己的功能选择性的实现某些操作。

二、虚拟文件系统涉及到的数据结构

一个文件要被访问，自然需要一些数据描述文件的属性，这些信息保存在inode节点中。inode节点主要包含三个部分：文件元数据即访问时间、上次访问日期、引用计数等，具体文件数据和inode操作函数表。从另一个角度，inode其实是磁盘文件在内核中的抽象。对于已经打开的文件，如何恰当的组织才能用最短的时间找到指定文件的inode？Linux通过dentry结构实现这一目的。

1、inode

根据不同文件系统的类型，inode 的实现方式也不同，有些文件系统起初把inode保存在磁盘，后期直接调入到内存如EXT2文件系统；而有些文件系统的inode是在加载文件时动态生成的，如FAT文件系统。VFS中每个文件都有其对应的inode，且只有一个（记住linux依然遵循一切皆文件的道理），所以在inode结构中有很多表示设备文件的字段。在inode中字段记录其引用计数，直到计数值为0时才会被删除，硬链接就是一个很好的例子。inode中包含文件在内存中的映射信息，具体映射由adress_space结构描述。

内存中的inode通过三条链表组织起来，根据inode的状态，分为有效但非活动的inode、使用中但未改变的inode、脏的inode（对应的内容内修改过但是未写入到磁盘）。前面两种保存在全局链表inode_unused、inode_inuse链表中。脏的inode保存在一个特定的超级块的链表中。为了快速查找某个inode，inode还存在于一个散列表中，该散列表是全局表inode_hashtable，散列表的key通过inode编号和超级块地址计算，具体的hash函数在inode的操作函数表中。

2、dentry

dentry 在书上的名称为目录项缓存,其中保存有文件的名称，其本质目的是在具体文件系统路径和inode之间建立一个通道。初次打开一个文件，需要通过底层文件系统和设备驱动和外设交互，没此VFS向底层文件系统发送一个请求，就创建一个dentry保存请求的结果在，这样在下次访问同一个对象时，就不需要访问底层文件系统，直接通过dentry就可以定位具体inode。dentry对象在内存中的组织主要由两种方式：

a） 一个散列表，包含所有的dentry对象。

b) 一个LRU（最近最少使用链表），不在使用的对象不会立即删除，而是设置一个期限，超时后再执行删除。

散列表的哈希函数在dentry对应的操作函数表中，而LRU的表头是全局变量dentry_unused，通过dentry结构中的d_lru连接起来。dentry对象有个计数器d_count，当该计数器到达0时会被置于该链表上，注意，新的向插入链表头，即越往后的dentry，时间就越久，越容易被删除。

2、superblock

该结构式文件系统相关的，每次安装一个文件系统，会有一个对应的超级块结构，当然卸载时，该结构会被删除。每个装载的文件系统对应一个vfsmount结构，用以描述文件系统的装载信息，如装载点的父目录系统、当前文件系统根目录的dentry，还会有指向超级块结构的指针等。

三、进程结构中的文件系统选项

文件系统的存在，无非是让用户去访问文件，而用户如何去发起操作呢？自然是通过进程。各种操作系统的进程访问文件的模式都大同小异，都是先打开进程，然后操作进程。打开进程获取一个局部的文件描述符，windows称之为句柄，该文件描述符只在当前进程内有效。在进程结构task_struct中保存有几个文件系统相关的信息。这里我们只介绍fs_struct和files_struct,对于nsproxy这种命名空间相关，本节不做介绍。

a) files_struct

该结构在进程和打开的文件之间建立连接。在该结构中有个fd_array，是file类型的指针数组，前面提到的文件描述符，其实是该数组的下标。每打开一个文件，就通过数组项纪录在该进程中。而file结构是对应于一个打开的文件，这是相对于进程的，即不同进程打开同一个文件，会有不同的file结构。其中有个比较重要的字段就是f_pos,纪录当前文件偏移，对于读写操作非常重要。还有一个结构f_path，是一个path类型，包含两个指针，分别指向当前文件所述的文件系统结构vfsmount，和文件的目录项结构dentry，通过dentry可以定位具体的inode。而同一文件系统打开的所有文件会通过链表组织起来。

b)fs_struct

该结构记录关于进程本身的一些信息，如当前工作目录的dentry，root的dentry，root文件系统的vfsmount,当前目录的vfsmount等。

下文将结合具体的数据结构内容对各个结构之间的关系进行分析http://www.cnblogs.com/ck1020/p/6544719.html

参考资料：

1、深入Linux内核架构

2、Linux3.10.1内核源码