Linux文件系统二（虚拟文件系统VFS实现原理）
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1.没有横空出世，只要厚积一定发。
2.你可以学历不高，你可以不上学，但你不能不学习
一、文件系统概述
在Linux操作系统中，一切皆是文件，除了通常所说狭义的文件（文本文件和二进制文件）以外，目录、套接字、设备及管道等都是文件。
文件系统在不同的上下文中有不同的含义。在存储设备缓存文件的方法数据结构和访问方法。按照某种文件系统类型格式化的一块存储介质，内核中负责管理和存储文件的模块，即文件系统，Linux文件系统的架构，分为用户空间、内核空间、硬件3个层面。
1、用户空间
应用程序可以直接使用内核提供的系统调用访问文件：
（1）一个存储设备上的文件系统，只有挂载到内存中目录树的某个目录下，进程才能访问这个文件系统。
（2）系统调用umount用来卸载某个目录下挂载的文件系统。可以执行命令“umount dir”来卸载文件系统，umount命令调用系统调用umount。
备注：
执行命令：mount -t fstype divice dir, 把文件系统挂载到某个目录下，卸载某个目录挂载的执行命令：umount dir。 然后可以执行其他系统调用：open/close/read/write/lseek/fsync/fdatasync.
应用程序可以使用glibc库封装标准I/o流函数访问文件，标准I/o流提供缓冲区，目的尽可能减少调用read/write次数，提高性能。标准I/O流函数：fopen/fclose/fread/fwrite(fflush)/flseek
2、硬件层面
外部存储设备分为块设备、闪存和NVDIMM（非易失性内存）设备3类。块设备主要有2种类型：机械硬盘和闪存类块设备。
机械硬件读写单位为扇区，访问首先沿着半径方向移动磁头寻找磁道，然后转动盘片找到扇区。
闪存作为存储设备，里面的控制器运行固化驱动程序，驱动程序的功能是内存转换层，把闪存转换为块设备，对外表现为块设备。Solid state drives,SSD。手机/平板嵌入式存储卡eMMC（embedded multi meida card）/通用闪存存储UFS（Universal flash storage）。
3、内核空间
在内核的目录fs下可以看到，内核支持多种文件系统类型。为了对用户程序提供统一的文件操作系统接口，为了使不同的文件系统实现能够共存，内核实现一个抽象层，称为虚拟文件系统（Virtual File System VFS）,也称为虚拟文件系统切换（Virtual Filesystem Switch,VFS）。
文件系统分为：块设备文件系统（存储设备十二机械硬盘和SSD等块，EXT2/3/4）、闪存文件系统存储设备Nor,NAND闪存、内存文件系统（文件在内存中）、伪文件系统（假的文件系统）。
二、虚拟文件系统数据结构
虽然不同文件系统类型的物理结构不同，但是虚拟文件系统定义一套统一的数据结构。超级块、索引节点、目录项。
1、超级块
文件系统的第一块是超级块，用来描述文件系统的总体信息。当我们把文件系统挂载到内存中的目录树的一个目录下时，就会读取文件系统的超级块，在内存中创建超级块的副本，结构体super_block内核源码，主要成员如下：
超级块操作系统集合的数据结构时：结构体super_operations,主要成员如下：
2、挂载描述符
一个文件系统，只有挂载到内存中目录树的一个目录下，进程才能访问这个文件系统。每次挂载文件系统，虚拟文件系统就会创建一个挂载描述符：mount 结构体。挂载描述符用来描述文件系统的一个挂载实类，同一个存储设备上的文件系统可以多次挂载，每次挂载到不同的目录下。
结构体mount挂载描述符的主要成员如下：
3、文件系统类型
因为每种文件系统类型的超级块的格式不同，所以每种文件系统需要向虚拟文件系统注册文件系统类型file_system_type.并且实现mount方法用来读取和解析超级块。内核源码如下：
struct file_system_type {
const char *name; // 文件系统类型的名称
int fs_flags;
#define FS_REQUIRES_DEV 1
#define FS_BINARY_MOUNTDATA 2
#define FS_HAS_SUBTYPE 4
#define FS_USERNS_MOUNT 8 /* Can be mounted by userns root */
#define FS_RENAME_DOES_D_MOVE 32768 /* FS will ha
ndle d_move() during rename() internally. */
// 用来在挂载文件系统的时候读取并且解析超有块
struct dentry (mount) (struct file_system_type *, int,const char *, void *);
// 用来在卸载文件系统的时候释放超级块
void (*kill_sb) (struct super_block *);
struct module *owner;
struct file_system_type * next;
// 多个存储设备上的文件系统的类型可能相同，此成员用来把相同文件系统类型的超级块链接起来
struct hlist_head fs_supers;
struct lock_class_key s_lock_key;
struct lock_class_key s_umount_key;
struct lock_class_key s_vfs_rename_key;
struct lock_class_key s_writers_key[SB_FREEZE_LEVELS];
struct lock_class_key i_lock_key;
struct lock_class_key i_mutex_key;
struct lock_class_key i_mutex_dir_key;
}；
4、索引节点
在文件系统中，每个文件对应一个索引节点，索引节点描述两类信息：
（1）文件的属性，也称为元数据（metadata）。
（2）文件数据的存储位置，每个索引节点有一个唯一的编号。当内核访问存储设备上的一个文件时，会在内存中创建索引节点的一个副本，内核结构体inode源码如下：
struct inode {
umode_t i_mode; // 文件类型和访问权限
unsigned short i_opflags;
kuid_t i_uid; // 创建文件的用户的标识符
kgid_t i_gid; // 创建文件的用户所属的组标识符
unsigned int i_flags;
#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACLstruct posix_acl *i_acl;
struct posix_acl *i_default_acl;
#endif
const struct inode_operations *i_op;
struct super_block *i_sb; // 指向文件所属的文件系统的超级块
struct address_space *i_mapping; // 指向文件的地址空间
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *i_security;
#endif
/* 索引节点编号 */
unsigned long i_ino;
/*
* Filesystems may only read i_nlink directly. They shall u
se the
* following functions for modification:
*
* (set|clear|inc|drop)_nlink
* inode(inc|dec)link_count
*/
union {
const unsigned int i_nlink; // 硬链接计数
unsigned int __i_nlink;
};
dev_t i_rdev;// 设备号
loff_t i_size; // 文件长度
struct timespec i_atime; // 上一次访问文件的时间
struct timespec i_mtime; // 上一次修改文件数据的时间
struct timespec i_ctime; // 上一次修改文件索引节点的赶时间
spinlock_t i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
unsigned short i_bytes; // 文件长度除以块长度的余数
unsigned int i_blkbits; // 块长度以 2 为底的对数，块长度是 2 的 i_blkbits 次幂
blkcnt_t i_blocks; // 文件的块数
#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
seqcount_t i_size_seqcount;
#endif
/* Misc */
unsigned long i_state;
struct rw_semaphore i_rwsem;unsigned long
dirtied_when; /* jiffies of first dirtying*/
unsigned long dirtied_time_when;
struct hlist_node i_hash;
struct list_head i_io_list; /* backing dev IO list */
#ifdef CONFIG_CGROUP_WRITEBACK
struct bdi_writeback *i_wb;
/* the associated cgroup wb */
/* foreign inode detection, see wbc_detach_inode() */
int i_wb_frn_winner;
u16 i_wb_frn_avg_time;
u16 i_wb_frn_history;
#endif
struct list_head i_lru; /* inode LRU list */
struct list_head i_sb_list;
struct list_head i_wb_list; /* backing dev writeback list*/
union {
struct hlist_head i_dentry;
struct rcu_head i_rcu;
};
u64 i_version;
atomic_t i_count;
atomic_t i_dio_count;
atomic_t i_writecount;
#ifdef CONFIG_IMA
atomic_t i_readcount; /* struct files open RO */
#endif
const struct file_operations i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */
struct file_lock_context *i_flctx;
struct address_space i_data;
struct list_head i_devices;
union {
struct pipe_inode_info *i_pipe;
struct block_device *i_bdev; // 指向块设备
struct cdev *i_cdev; // 指向字符设备
char *i_link;
unsigned i_dir_seq;
};
__u32 i_generation;
#ifdef CONFIG_FSNOTIFY
__u32 i_fsnotify_mask; /* all events this inode caresabout */
struct fsnotify_mark_connector __rcu *i_fsnotify_marks;
#endif
#if IS_ENABLED(CONFIG_FS_ENCRYPTION)
struct fscrypt_info *i_crypt_info;
#endif
void i_private; / fs or device private pointer */
};
5、目录项
文件系统把目录当做文件，这种文件的数据是由目录项结构组成的，每个目录项存储一个子目录或文件的名称以及对应的索引节点号。当内核访问存储设备上的一个目录项时，会在内核中创建目录项的一个副本，结构体dentry主要成员如下：
struct dentry {
/* RCU lookup touched fields */
unsigned int d_flags;/* protected by d_lock */
seqcount_t d_seq; /* per dentry seqlock */
struct hlist_bl_node d_hash; /* 用来把目录项加入散列表 */
struct dentry d_parent; / 指向父目录 */
struct qstr d_name; // 存储文件名称
struct inode *d_inode;
/* Where the name belongs to- NULL is * negative */
unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; /* small names */
/* Ref lookup also touches following */
struct lockref d_lockref;
/* per- dentry lock and refcount */
const struct dentry_operations *d_op;
struct super_block d_sb; / The root of the dentry tree*/
unsigned long d_time;
/* used by d_revalidate */
void *d_fsdata;
/* fs-specific data */
union {
struct list_head d_lru; /* LRU list */
wait_queue_head_t d_wait; / in-lookup ones only */
};
struct list_head d_child; /* child of parent list */
struct list_head d_subdirs; /* our children */
/*
* d_alias and d_rcu can share memory
*/
union {
struct hlist_node d_alias; /* inode alias list */
struct hlist_bl_node d_in_lookup_hash; /* only for in-
lookup ones */
struct rcu_head d_rcu;
} d_u;
};
6、文件打开实例及打开文件表
当进程打开一个文件的时候，虚拟文件系统就会创建一个打开实例：file结构体
struct file {
union {
struct llist_node fu_llist;
struct rcu_head fu_rcuhead;
} f_u;
/*struct path {
struct vfsmount *mnt; // 指向文件所属文件系统的挂载描述符的成员 mnt
struct dentry *dentry; // 文件对应的目录项
};*/
struct path f_path; // 存储文件在目录树中的位置
struct inode f_inode; / 指向文件的索引节点 */
// 指向文件操作命令
const struct file_operations *f_op;
/** Protects f_ep_links, f_flags.* Must not be taken from IRQ context.*/
spinlock_t f_lock;
atomic_long_t f_count;
unsigned int f_flags;
fmode_t f_mode; // 访问模式
struct mutex f_pos_lock;
loff_t f_pos; // 文件偏移，进程当前正在访问的位置
struct fown_struct f_owner;
const struct cred *f_cred;
struct file_ra_state f_ra;
u64 f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *f_security;
#endif
/* needed for tty driver, and maybe others */
void *private_data;
#ifdef CONFIG_EPOLL
/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file *
/
struct list_head f_ep_links;
struct list_head f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
struct address_space *f_mapping; // 指向文件的地址空间
} attribute((aligned(4))); /* lest something weird decides that 2 is OK */
文件系统信息结构主要成员如下：
打开文件表的数据结构如下：
三、注册文件系统类型
因为每种文件系统的超级块的格式不同，所以每种文件系统需要向虚拟文件系统注册文件类型：file_system_type,实现mount方法来读取和解析超级块，函数register_filesystem来注册文件系统类型：
管理员可以执行命令：cat /proc/filesystems--查看已经注册的文件系统类型。
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