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2012-11-08 09:48:36
原文地址:linux kernel 文件系统1 作者:BENNYSNAKE
1、 一块磁盘(块设备),首先要按照某种文件系统(如 NTFS)格式进行格式化,然后才能在其上进行创建目录、保存文件等操作。
在 Linux 中,有“安装”文件系统和“卸载”文件系统的概念。
一块经过格式化的“块设备”(不管是刚刚格式化完的,没有创建任何名录和文件;还是已经创建了目录和文件),只有先被“安装”,才能融入 Linux 的文件系统中,用户才可以在它上面进行正常的文件操作。
2、 Linux 把目录或普通文件,统一看成“目录节点”。通常一个“目录节点”具有两个重要属性:名称以及磁盘上实际对应的数据。本文中,“目录节点”有时简称为“节点”
“符号链接”是一种特殊的目录节点,它只有一个名称,没有实际数据。这个名称指向一个实际的目录节点。
3、 “接口结构”:在 内核代码中,经常可以看到一种结构,其成员全部是函数指针,例如:
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
};
这种结构的作用类似与 C++ 中的“接口类”,它是用 C 语言进行软件抽象设计时最重要的工具。通过它,将一组通用的操作抽象出来,核心的代码只针对这种“接口结构”进行操作,而这些函数的具体实现由不同的“子类”去完成。
以这个 file_operations“接口”为例,它是“目录节点”提供的操作接口。不同的文件系统需要提供这些函数的具体实现。
本文中,“接口结构”有时简称“接口”。
Linux 通过虚拟文件系统 (VFS) 来支持不同的具体的文件系统,那么 VFS 到底是什么?
从程序员的角度看,我认为 VFS 就是一套代码框架(framework),它将用户与具体的文件系统隔离开来,使得用户能够通过这套框架,以统一的接口在不同的具体的文件系统上进行操作。
这套框架包括:
1、 为用户提供统一的文件和目录的操作接口,如 open, read, write
2、 抽象出文件系统共有的一些结构,包括“目录节点”inode、“超级块”super_block 等。
3、 面向具体的文件系统,定义一系列统一的操作“接口”, 如 file_operations, inode_operations, dentry_operation,具体的文件系统必须提供它们的实现。
4、 提供一套机制,让具体的文件系统融入 VFS 框架中,包括文件系统的“注册”和“安装”
5、 实现这套框架逻辑的核心代码
数据结构是代码的灵魂,要分析一个复杂的系统,关键是掌握那些核心的数据结构,这包括:
1、 弄清数据结构的核心功能。一个数据结构通常具有比较复杂的成员,此外,还有一些成员用于建立数据结构之间的关系。如果要一个个去理解,就会陷入细节。
2、 弄清数据结构之间的静态关系
3、 弄清数据结构之间是如何建立起动态的关系的
本文重点分析文件系统中的关键数据结构以及它们之间的关系。
1、 inode 用以描述“目录节点” ,它描述了一个目录节点物理上的属性,例如大小,创建时间,修改时间、uid、gid 等
2、 file_operations 是“目录节点”提供的操作“接口”。它包括 open, read, wirte, ioctl, llseek, mmap 等操作。
3、 一个 inode 通过成员 i_fop 对应一个 file_operations
4、 打开文件的过程就是寻找 “目录节点”对应的 inode 的过程
5、 文件被打开后,inode 和 file_operation 都已经在内存中建立,file_operations 的指针也已经指向了具体文件系统提供的函数,此后都文件的操作,都由这些函数来完成。
例如打开了一个普通文件 /root/file,其所在文件系统格式是 ext2,那么,内存中结构如下:
本来,inode 中应该包括“目录节点”的名称,但由于符号链接的存在,导致一个物理文件可能有多个文件名,因此把和“目录节点”名称相关的部分从 inode 中分开,放在一个专门的 dentry 结构中。这样:
1、 一个dentry 通过成员 d_inode 对应到一个 inode上,寻找 inode 的过程变成了寻找 dentry 的过程。因此,dentry 变得更加关键,inode 常常被 dentry所遮掩。可以说, dentry 是文件系统中最核心的数据结构,它的身影无处不在。
2、 由于符号链接的存在,导致多个 dentry 可能对应到同一个 inode 上
例如,有一个符号链接 /tmp/abc 指向一个普通文件 /root/file,那么 dentry 与 inode 之间的关系大致如下: