深入理解 Linux 文件系统

快来打我* 2022-03-19 09:36 347阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  1.那么什么是文件系统呐？
         *  2.Linux 文件系统的体系结构
         *  3. VFS 虚拟文件系统
         *   *   *  (1)虚拟文件系统中的四个通用对象
                 *  \*\*这里特别需要注意的地方是：内核中还有一个fd结构，它与int fd 不同，他包含了file结构\*\*
         *  4.与进程相关的一个对象、两个结构
         *   *   *  (1) 文件对象
                 *  (2) 用户打开文件对象集 files\_struct 结构
                 *  (3) 建立进程与文件系统的关系 fs\_struct 结构
         *  5.四个对象与进程是如何协同工作的
         *  6.read() 函数

首先提出几个简单的问题：

*  为什么`read()函数`在所有`Linux`机器下都能正常运行，不管你是什么系统，在什么类型的文件系统下以及是什么类型的硬盘?这是如何做到的？
 *

### 1.那么什么是文件系统呐？ ###

`文件系统是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制`。Linux系统中每个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次结构 。(`df && cat /proc/filesystems`)

### 2.Linux 文件系统的体系结构 ###

下图所示的体系结构显示了**用户空间和内核中与文件系统相关的主要组件之间的关系**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
用户空间包含一些应用程序（例如，文件系统的使用者）和 GNU C 库（glibc），它们为文件系统调用（打开、读取、写和关闭）提供用户接口。系统调用接口的作用就像是交换器，它将系统调用从用户空间发送到内核空间中的适当端点。

`VFS 是底层文件系统的主要接口。这个组件导出一组接口，然后将它们抽象到各个文件系统，各个文件系统的行为可能差异很大。`有两个针对文件系统对象的缓存（inode 和 dentry）。它们缓存最近使用过的文件系统对象。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
`每个文件系统实现（比如 ext2、fat 等等）导出一组通用接口，供 VFS 使用。缓冲区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。`例如，对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递。这就允许在其中缓存请求，**减少访问物理设备的次数，加快访问速度**。以最近使用（LRU）列表的形式管理缓冲区缓存。注意，可以使用 sync 命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体（迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序，进而发送到存储设备）。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
最后来一个实例说明：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
这就是 VFS 和文件系统组件的高层情况。现在，主要讨论`VFS`系统的主要结构。

### 3. VFS 虚拟文件系统 ###

##### (1)虚拟文件系统中的四个通用对象 #####

`Linux 以一组通用对象的角度看待所有文件系统。`这些对象是`超级块（superblock）、inode、dentry 和文件．`下面分别来具体说明：

> 超级块（superblock）: 对应一个已安装的文件系统的信息

超级块在每个文件系统的根上，用来**描述整个文件系统的信息**。 每个具体的文件系统都有各自的超级块．

它包含管理文件系统所需的信息，包括文件系统名称（比如 ext2）、文件系统的大小和状态、块设备的引用和元数据信息（比如空闲列表等等）。超级块通常存储在存储媒体上  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
值得关注的几个结构是：

struct file_system_type *s_type ; //文件系统类型
    struct super_operations *s_op;  // 超级块操作

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
`这个结构定义一组用来管理这个文件系统中的 inode 的函数`。例如，可以用 alloc\_inode 分配 inode，用 destroy\_inode 删除 inode。可以用 read\_inode 和 write\_inode 读写 inode，用 sync\_fs 执行文件系统同步。`每个文件系统提供自己的可用的 inode 方法，这些方法实现操作并向 VFS 层提供通用的抽象。`

> 索引节点（inode）: 对应一个实际物理文件的信息

存放文件系统处理文件所需要的所有信息

同一个文件系统中，每个索引节点号都是唯一的  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
同上，`i-node`也定义了`inode_operations && file_operations`，分别表示在 inode 上可以执行的操作以及　与文件和目录相关的方法（标准系统调用），见下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

> 目录项（dentry）: 表示具体文件的位置

文件系统中大都采用的树状结构，`dentry`反映了这种树状关系。

`dentry` 和 `inode` 共同描述了一个文件  
反应了在文件系统中的位置和信息

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

> 文件(file) : 对应打开文件与进程之间进行交互的有关信息

文件对象是已打开的文件在内存中的表示，主要`用于建立进程和磁盘上的文件的对应关系`。它由sys\_open() 现场创建，由sys\_close()销毁。进程打开一个文件，内核就动态的创建一个文件对象，`同一个文件在不同的进程中有不同的文件对象。`

进程通过文件描述符来访问文件，C 语言封装为指针  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

文件对象和物理文件的关系有点像进程和程序的关系一样。

##### **这里特别需要注意的地方是：内核中还有一个fd结构，它与int fd 不同，他包含了file结构** #####

> 另外，和文件系统相关的还有:file\_system\_type && vfsmount

`file_system_type结构用于描述具体的文件系统的类型信息。被Linux支持的文件系统，不管它有零个或多个实例被安装到系统中，都有且仅有一 个file_system_type结构.`

而与此对应的是每当一个文件系统被实际安装，就`有一个vfsmount结构体被创建，这个结构体对应一个安装点。`  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

我们在编写程序的时候，肯定会时不时的用到关于文件的操作，那么进程与文件系统之间关系到底是怎么样的呐？

### 4.与进程相关的一个对象、两个结构 ###

*  文件对象(见上文)
 *  用户打开文件表 files\_struct 结构
 *  建立进程与文件系统的关系 fs\_struct 结构

##### (1) 文件对象 #####

##### (2) 用户打开文件对象集 files\_struct 结构 #####

文件描述符是用来描述打开的文件的。每个进程用一个files\_struct结构来记录文件描述符的使用情况，这个files\_struct结构称为用户打开文件表，它是进程的私有数据。

struct files_struct { //打开的文件集
             atomic_t count;              /*结构的使用计数*/
            ……
             int max_fds;                 /*文件对象数的上限*/
            int max_fdset;               /*文件描述符的上限*/
            int next_fd;                 /*下一个文件描述符*/
            struct file ** fd;           /*全部文件对象数组*/
            ……
     };

##### (3) 建立进程与文件系统的关系 fs\_struct 结构 #####

fs\_struct 结构描述进程与文件系统的关系

struct fs_struct { //建立进程与文件系统的关系 多对一的关系
             atomic_t count;              /*结构的使用计数*/
            rwlock_t lock;               /*保护该结构体的锁*/
            int umask；                  /*默认的文件访问权限*/
            struct dentry * root;        /*根目录的目录项对象*/
            struct dentry * pwd;         /*当前工作目录的目录项对象*/
            struct dentry * altroot；    /*可供选择的根目录的目录项对象*/
            struct vfsmount * rootmnt;   /*根目录的安装点对象*/
            struct vfsmount * pwdmnt;    /*pwd的安装点对象*/
            struct vfsmount * altrootmnt;/*可供选择的根目录的安装点对象*/
    };

![在这里插入图片描述][2019022122300268.png]

### 5.四个对象与进程是如何协同工作的 ###

被Linux支持的文件系统，不管它有零个或多个实例被安装到系统中，都有且仅有一 个`file_system_type`结构。**每安装一个文件系统，就对应有一个超级块和安装点**。超级块通过它的一个域`s_type`指向其对应的具体的文件系统类型。具体的 文件系统通过`file_system_type`中的一个域`fs_supers`链接具有同一种文 件类型的超级块。同一种文件系统类型的超级块通过域`s_instances`链 接。

超级块、安装点和具体的文件系统的关系

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
进程通过`task_struct`中的一个域`files_struct files`来了解它当前所打开的文件对象；而我们通常所说的文件 描述符其实是进程打开的**文件对象数组的索引值**。文件对象通过域`f_dentry`找到它对应的`dentry对象`，再由`dentry对象`的域`d_inode`找 到它对应的索引结点，**这样就建立了文件对象与实际的物理文件的关联**。最后，还有一点很重要的是, 文件对象所对应的文件操作函数 列表是通过索引结点的域`i_fop`得到的。图6对第三部分源码的理解起到很大的作用。

进程与超级块、文件、索引结点、目录项的关系  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]  
好了，基本的也就这么多了，下面以`read()`函数为例来总结一下总的调用过程

### 6.read() 函数 ###

read函数在用户空间是由read系统调用实现的，由编译器编译成软中断 int 0x80 来进入内核空间，然后在中断门上进入函数sys\_read，从而进入内核空间执行read操作。  
sys\_read函数定义在fs/read\_write.c文件

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]  
进程打开一个文件时，会在内存组装一个文件对象，希望对该文件执行的操作方法已在文件对象设置好。所以对文件进行读操作时，VFS在做了一些简单的转换后（由文件描述符得到其对应的文件对象；其核心思想是返回current->files->fd\[fd\]所指向的文件对象，在函数 fget\_light() 中进行的），就可以通过语句　file->f\_op->read(file, buf, count, pos)　轻松调用实际文件系统的相应方法对文件进行读操作了。

具体代码调用如下：

1.进入陷阱门调用到函数 ksys_read()
    SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
    { 
    	return ksys_read(fd, buf, count); //最新的内核中的名字就是这个
    }
    2. 以下的都是旧版内核代码，但是意思真的一样，哈哈哈
    ssize_t sys_read(unsigned int fd, char __user * buf, size_t count)
    { 
    	struct file *file;/*文件指针*/
    	ssize_t ret = -EBADF;
    	int fput_needed;
    	
    	/*轻量级的由文件描述符得到文件指针函数*/
    	file = fget_light(fd, &fput_needed);
    	if (file) { 
    		/*file结构体里的指示文件读写位置的int变量读取*/
    		loff_t pos = file_pos_read(file);
    		/*vfs虚拟文件系统实现read操作的地方*/
    		ret = vfs_read(file, buf, count, &pos);
    		/*file结构体里的指示文件读写位置的int变量写入*/
    		file_pos_write(file, pos);
    		/*释放file结构体指针*/
    		fput_light(file, fput_needed);
    	}
    	return ret;
    }
    3. vfs_read()函数
    ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
    { 
    	ssize_t ret;
    	/*首先检查文件是否可以读取，否则返回坏的文件描述符标记*/
    	if (!(file->f_mode & FMODE_READ))
    		return -EBADF;
    	/*如果没有对应的文件操作函数集合，也返回错误*/
    	if (!file->f_op || (!file->f_op->read && !file->f_op->aio_read))
    		return -EINVAL;
    	/*检查有没有权限*/
    	if (unlikely(!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, count)))
    		return -EFAULT;
    	/*检查当前写入的地方有没有被上锁，是否可读写*/
    	ret = rw_verify_area(READ, file, pos, count);
    	if (ret >= 0) { 
    		count = ret;
    		/*安全操作*/
    		ret = security_file_permission (file, MAY_READ);
    		if (!ret) { 
    			/*如果file结构体里有read函数，就调用*/
    			if (file->f_op->read)
    				ret = file->f_op->read(file, buf, count, pos);
    			else
    				/*否则就调用异步读取的*/
    				ret = do_sync_read(file, buf, count, pos);
    			if (ret > 0) { 
    			/*成功读取以后，通知父目录已经读取，并在当前进程结构体上记录*/
    				fsnotify_access(file->f_path.dentry);
    				add_rchar(current, ret);
    			}
    			inc_syscr(current);
    		}
    	}
    	return ret;
    }
    
    附录：fget_light()函数
    struct file fastcall *fget_light(unsigned int fd, int *fput_needed)
    { 
    	struct file *file;
    	/*得到当前进程的task_struct的打开的files指针*/
    	struct files_struct *files = current->files;
    	
    	*fput_needed = 0;
    	/*如果只有一个进程使用这个结构体，就不必考虑锁，否则要先得到锁才可以读取*/
    	if (likely((atomic_read(&files->count) == 1))) { 
    		/*从files结构体的fd数组上得到file结构体*/
    		file = fcheck_files(files, fd);
    	} else { 
    		/*先上锁，在得到对应结构体*/
    		rcu_read_lock();
    		file = fcheck_files(files, fd);
    		if (file) { 
    			if (atomic_inc_not_zero(&file->f_count))
    				*fput_needed = 1;
    			else
    				/* Didn't get the reference, someone's freed */
    				file = NULL;
    		}
    		rcu_read_unlock();
    	}
    	return file;
    }

参考：  
[从文件 I/O 看 Linux 的虚拟文件系统][I_O _ Linux]  
[Linux 文件系统剖析][Linux]  
[学长的文件系统学习笔记 github][github]

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[I_O _ Linux]: https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-vfs/
[Linux]: https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-filesystem/index.html
[github]: https://github.com/chudongfang/file_system