linux kernel 文件系统1

1.1.              基本概念

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”。

1.2.              虚拟文件系统

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

我对文件系统的学习，实际上就是学习虚拟文件系统这套框架是如何实现的。

2.   核心数据结构

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。

2.1.              inode 和 file_operations

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：

2.2.              目录节点入口dentry

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：