Linux内核学习——文件系统与块设备

• VFS

虚拟文件系统（VFS）在文件系统的上一层，它封装了文件系统的实现，对于VFS更上一层来说，就不用知道操作的是何种具体的文件系统了。

我们知道真正存放信息的是储存媒介（如磁盘）

文件系统相当于媒介储存信息的协议（ext3、ntfs等）

所谓mount指的是使用某种文件系统去操作储存媒介

我们关心某个文件中的内容，但是对文件本身的信息（如创建日期、权限、大小）等也感兴趣，这些信息成为file metadata，在VFS中用inode（index node）结构体表示，每个文件只有唯一的一个inode。

文件系统也有相应的描述信息，VFS中用superblock超级块结构体来表示。

目录在VFS中是一种特殊的文件，用dentry（directory entry）结构体来表示。

 

总的来说，VFS关心以下几种结构体：

The superblock object represents a specific mounted filesystem.

The inode object represents a specific file.

The dentry object, which represents a directory entry, is a single component of a path.

The file object represents an open file as associated with a process.

注意这里的file指的不是文件系统中的某一个文件，而是在一个进程中打开的文件，可以想象成是文件描述符。一个文件可以被多个进程打开，从而有多个file结构体，但是inode只有一个。每当一个文件被一个进程打开就需要一个file的一个可能的原因是，假设多个进程都在读一个文件中的内容，若每个都有file结构，那每个进程读取的位置都可以不一样。

对上述这几种结构体的操作为：

The super_operations object contains the methods that the kernel can invoke on a specific filesystem, such as write_inode() and sync_fs()

The inode_operations object contains the methods that the kernel can invoke on a specific file, such as create() and link()

The dentry_operations object contains the methods that the kernel can invoke on a specific directory entry, such as d_compare() and d_delete()

The file_operations object contains the methods that a process can invoke on an open file, such as read() and write()

具体的结构体成员和操作函数就不列举了。

一个进程保存着已打开的文件和文件系统信息——files_struct, fs_struct。

 

• 块设备

VFS是高层，这里再从底层讲起。VFS的下层是真实的文件系统，真实的文件系统下面是block IO层，接着下面是块设备驱动层，最下面是真实某种块设备。块设备是指可以随机读写访问，并且每次最小只能访问固定数量的数据。硬件的最小单位是扇区sector（通常512字节或更大）。

与字符设备的file_operations结构体一样，块设备对上层也有统一的接口，用block_device_operations结构体表示。对于内核来说，块设备只是一块块sector的数据，不同的文件系统对这些数据有着不同的操作方法。

块设备驱动要实现一个request的方法：

void request(request_queue_t *queue);

每当需要对块设备进行读写等操作的时候就会调用这个方法，所以它是块设备操作的源头。每个块设备有一个request队列，为了提高块设备的有效性，每个读写操作的request都加入这个队列，并在队列中按一定算法进行reordering（比如将几个连续地址的间隔读操作request放在一起）。

这种reordering的算法称为block IO rescheduler（也有叫elevator的）。算法的一种思路是“deadline scheduler”，它为每个request设置deadline，在deadline之前必须完成；另一种思路是“anticipatory scheduler”，它假设对连续sector的操作紧接着当前的操作。

request是用一种叫bio的数据结构来描述的。也就是说，VFS或者某个文件系统要对块设备进行操作时，将该操作用bio来描述，bio包括了操作所需的相关信息。块IO层会对bio新建一个request或者合并到某一个现有的request中去。

 

• 页缓存

为避免频繁的磁盘访问，从而提出了页缓存。

页缓存的回写策略有：

若写，则直接写磁盘，并标志页无效

若写，则不光写磁盘，而且写（更新）写，这个叫write-through

若写，则写页，不立即写磁盘，标记页为dirty（其实指的是磁盘上的数据为dirty），并将dirty的页放入dirty页list，周期性的回写至磁盘（相关的flusher内核线程来做），这个叫write-back

一个页（page）可以缓存多个磁盘上的block，因为一个page通常为4KB，磁盘上的一个block可能只有512B。一个文件在页缓存上的描述用struct address_space来表示。

详细查看mmap应用。