注：本文分析基于linux-4.18.0-193.14.2.el8_2内核版本，即CentOS 8.2

1 super_block

super_block，即超级块代表的是一种文件系统类型，比如ext3、ext4都有对应的super_block结构体。一台机器可以有多块硬盘，一个硬盘可以有多个分区，每个分区都有自己的文件系统类型，可以是一样的，也可以不一样。我们来了解下超级块的主要成员变量。

2 super_block主要成员变量

struct super_block {struct list_head s_list; //通过该变量链接到超级块全局链表super_blocks上dev_t         s_dev;      //该文件系统对应的块设备标识符unsigned char       s_blocksize_bits;unsigned long      s_blocksize; //该文件系统的block sizeloff_t           s_maxbytes; //文件系统支持的最大文件struct file_system_type    *s_type; //文件系统类型，比如ext3、ext4const struct super_operations   *s_op; //超级块的操作函数const struct dquot_operations  *dq_op; //文件系统限额相关操作const struct quotactl_ops   *s_qcop; //磁盘限额const struct export_operations *s_export_op;unsigned long        s_flags; //文件系统的mount标记unsigned long        s_iflags;   /* internal SB_I_* flags */unsigned long        s_magic;  //该文件系统类型的魔术字struct dentry        *s_root; //全局根目录的dentry项...struct block_device  *s_bdev;  //对应的块设备struct backing_dev_info *s_bdi; //超级块对应的BDI设备struct mtd_info      *s_mtd;//通过该变量，链接到file_system_type中的fs_supers链表struct hlist_node s_instances;...char         s_id[32];   /* Informational name */uuid_t          s_uuid;     /* UUID tune2fs -l可以查看*/void            *s_fs_info; //指向具体文件系统超级块结构，如ext4_sb_info...const struct dentry_operations *s_d_op; //该超级块默认的目录项操作函数...struct shrinker s_shrink; //每个超级块注册的shrink函数，用于内存回收.../* AIO completions deferred from interrupt context */struct workqueue_struct *s_dio_done_wq;...//该超级块对应的未在使用dentry列表struct list_lru      s_dentry_lru ____cacheline_aligned_in_smp;//该超级块对应的未在使用inode列表struct list_lru       s_inode_lru ____cacheline_aligned_in_smp;.../* s_inode_list_lock protects s_inodes */spinlock_t     s_inode_list_lock ____cacheline_aligned_in_smp;struct list_head s_inodes;   //该超级块包含的所有inodespinlock_t      s_inode_wblist_lock;struct list_head    s_inodes_wb;    //该超级块正在回写的inode
};

而对应的文件系统则由file_system_type结构描述，

struct file_system_type {const char *name; //文件系统名称，如ext4，xfs...struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,const char *, void *); //对应的mount函数void (*kill_sb) (struct super_block *);struct module *owner;struct file_system_type * next; //通过该变量将系统上所有文件系统类型链接到一起struct hlist_head fs_supers; //该文件系统类型锁包含的超级块对象...
};

3 注册一个文件系统

内核为了管理系统上的所有文件系统，创建了一个全局链表file_systems，系统上所有文件系统类型都会挂载在上面，我们可以通过/proc/filesystems查看系统所有的文件系统类型。

下面我们以ext4文件类型，大概了解下注册过程。

static struct file_system_type ext4_fs_type = {.owner       = THIS_MODULE,.name        = "ext4",.mount      = ext4_mount,.kill_sb  = kill_block_super,.fs_flags   = FS_REQUIRES_DEV,
};int register_filesystem(struct file_system_type * fs)
{int res = 0;struct file_system_type ** p;BUG_ON(strchr(fs->name, '.'));if (fs->next)return -EBUSY;write_lock(&file_systems_lock);//在已注册的全局文件系统链表file_systems中查找，看是否已经注册过p = find_filesystem(fs->name, strlen(fs->name));if (*p)//如果查找到就返回错误，同一个文件系统不能注册两次res = -EBUSY;else//没查找到，直接将该文件系统添加链表末尾*p = fs;write_unlock(&file_systems_lock);return res;
}static struct file_system_type **find_filesystem(const char *name, unsigned len)
{struct file_system_type **p;//在已注册的全局文件系统链表file_systems中查找for (p = &file_systems; *p; p = &(*p)->next)if (strncmp((*p)->name, name, len) == 0 &&!(*p)->name[len])break;return p;
}

可见，同个类型的文件系统只能注册一次，因此全局文件系统链表file_systems中不可能出现相同的文件系统类型

4 创建一个超级块

我们再以ext4文件系统为例，看下超级块创建的过程。这一些要从文件系统的挂载开始说起，

static struct dentry *ext4_mount(struct file_system_type *fs_type, int flags,const char *dev_name, void *data)
{return mount_bdev(fs_type, flags, dev_name, data, ext4_fill_super);
}struct dentry *mount_bdev(struct file_system_type *fs_type,int flags, const char *dev_name, void *data,int (*fill_super)(struct super_block *, void *, int))
{...//分配新的超级块s = sget(fs_type, test_bdev_super, set_bdev_super, flags | SB_NOSEC,bdev);if (s->s_root) {...} else {s->s_mode = mode;snprintf(s->s_id, sizeof(s->s_id), "%pg", bdev);sb_set_blocksize(s, block_size(bdev));//对新的超级块进行信息的填充，对于ext4，就是调用ext4_fill_supererror = fill_super(s, data, flags & SB_SILENT ? 1 : 0);...}...
}

主要就是两点：

分配超级块
填充超级块

我们先看分配超级块，有几点需要考虑：

该设备是否已经mount过，不能重复mount，就像同个类型的文件系统也不能重复注册
分配超级块后需要做一些初始化工作，比如各种链表初始化，以及设置缓存回收函数等
分配完后就要考虑如何管理这个超级块，要加入全局超级块链表，对应的文件类型也要加到全局文件系统列表，同时还要把刚才初始化设置的缓存回收函数注册到全局回收链表

struct super_block *sget(struct file_system_type *type,int (*test)(struct super_block *,void *),int (*set)(struct super_block *,void *),int flags,void *data)
{...return sget_userns(type, test, set, flags, user_ns, data);
}           //sget_userns - find or create a superblock
struct super_block *sget_userns(struct file_system_type *type,int (*test)(struct super_block *,void *),int (*set)(struct super_block *,void *),int flags, struct user_namespace *user_ns,void *data)
{struct super_block *s = NULL;struct super_block *old;int err;...//先检查对应文件系统上的fs_supers链表，查看该设备是否已经mount过//有mount过，直接返回旧的超级块if (test) {hlist_for_each_entry(old, &type->fs_supers, s_instances) {//通过传入的test_bdev_super判断挂载的超级块对应的设备是否相同if (!test(old, data))continue;...return old;}}//没mount过，创建新的超级块if (!s) {spin_unlock(&sb_lock);//创建并初始化超级块s = alloc_super(type, (flags & ~SB_SUBMOUNT), user_ns);if (!s)return ERR_PTR(-ENOMEM);goto retry;}...//把对应文件系统类型赋值到超级块上s->s_type = type;strlcpy(s->s_id, type->name, sizeof(s->s_id));//将新的超级块通过s_list挂到全局super_blocks链表上list_add_tail(&s->s_list, &super_blocks);//把该超级块的文件系统实例挂到对应文件系统的列表头//比如有两个分区都是ext4文件系统，那fs_supers上就会挂上两个超级块信息hlist_add_head(&s->s_instances, &type->fs_supers);spin_unlock(&sb_lock);get_filesystem(type);//把该超级块的shrink函数挂到全局shrink链表shrinker_list//这样系统回收内存时，只要调用shrinker_list的shrink函数就可以了register_shrinker_prepared(&s->s_shrink);return s;
}static struct super_block *alloc_super(struct file_system_type *type, int flags,struct user_namespace *user_ns)
{...//初始化各个链表和锁INIT_HLIST_NODE(&s->s_instances);INIT_HLIST_BL_HEAD(&s->s_roots);mutex_init(&s->s_sync_lock);INIT_LIST_HEAD(&s->s_inodes);spin_lock_init(&s->s_inode_list_lock);INIT_LIST_HEAD(&s->s_inodes_wb);spin_lock_init(&s->s_inode_wblist_lock);...s->s_shrink.seeks = DEFAULT_SEEKS;//超级块缓存回收函数s->s_shrink.scan_objects = super_cache_scan;s->s_shrink.count_objects = super_cache_count;s->s_shrink.batch = 1024;s->s_shrink.flags = SHRINKER_NUMA_AWARE | SHRINKER_MEMCG_AWARE;if (prealloc_shrinker(&s->s_shrink))goto fail;//初始化存放未使用的dentry链表s_dentry_lruif (list_lru_init_memcg(&s->s_dentry_lru, &s->s_shrink))goto fail;//初始化存放未使用的indode链表s_inode_lruif (list_lru_init_memcg(&s->s_inode_lru, &s->s_shrink))goto fail;return s;fail:destroy_unused_super(s);return NULL;
}

回过头，我们再看下超级块的填充，虽然初始化时设置了一些，但是还是有很多和具体文件系统相关的信息没有体现，

针对具体的文件系统，设置对应的超级块信息，super_block是VFS层的体现，具体到实际文件系统，还有对应的超级块
设置该文件系统对应的超级块操作函数，里面包含了对inode资源本身的一些操作集合，比如分配，销毁，写，脏化等操作
调用刚才设置的ext4_alloc_inode函数，为超级块的root分配对应的inode，同样inode也是VFS层的体现，实际ext4分配的是ext4_inode_info，而inode内嵌在该结构的vfs_inode变量中，这样就把VFS和实际文件系统关联在一起
同样需要为超级块分配一个目录项，并关联到对应的inode

static const struct super_operations ext4_sops = {.alloc_inode  = ext4_alloc_inode,.destroy_inode  = ext4_destroy_inode,.write_inode  = ext4_write_inode,.dirty_inode    = ext4_dirty_inode,...
};static int ext4_fill_super(struct super_block *sb, void *data, int silent)
{struct ext4_sb_info *sbi = kzalloc(sizeof(*sbi), GFP_KERNEL);...sb->s_fs_info = sbi; //设置实际文件系统的超级块信息sbi->s_sb = sb;...sb->s_op = &ext4_sops; //设置该超级块对应的操作函数，主要是对inode自身的操作...//调用ext4_alloc_inode分配一个用于root的inoderoot = ext4_iget(sb, EXT4_ROOT_INO, EXT4_IGET_SPECIAL);...sb->s_root = d_make_root(root); //为root分配目录项...
}

5 结构关系

我们用图对以上几个结构进行展示，

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