Linux VFS自顶向下分析.doc

Linux VFS（虚拟文件系统）主干分析作者：卓达城职业：学生学校：华南理工大学（本科） 华中科技大学（2010级研究生在读）实验室：集群网络与服务计算实验室主要研究方向：嵌入式虚拟化联系方式：日期：2011年2月17日一、概述 对于VFS（虚拟文件系统，下同）最主要的作用在于设备驱动和文件系统这两块，个人以为，各种大神的书对VFS的分析确实非常透彻，涉及方方面面，但是由于内容太多，所以很难让读者理解VFS的架构，本文主要从文件系统这个方面分析VFS，抓住主干和核心数据结构，意在让读者有一个架构上的理解，至于文件权限等其它问题，这里略过，细节方面的内容请拜读各大Linux神书。二、从VFS到实际文件2.1 存储介质中的核心数据 正如要学习操作系统，就必须知道CPU能做什么一样，要了解VFS跟实际文件的关系，就必须知道实际存储介质里面到底放的什么数据，VFS会用到哪些数据。存储介质里面主要放着两种数据，SuperBlock（超级块）和Inode（文件节点），VFS通过这两种数据就可以得到真实的文件内容。2.2 VFS到实际文件的过程从VFS到实际文件要经过以下过程：第一步：VFS（我们平时用的read，write等函数，直观点就是双击文件夹，或者双击文件，再直观点就是双击usb的图标）。第二步：具体文件系统对应的函数，VFS中的read（下面会以read为具体例子）指向具体文件系统的read。第三部：调用存储介质的驱动程序读取真正的内容。如下图：2.3 从mount开始 这里略过驱动程序，内核启动之后，假设我们的存储介质（例如硬盘、SD卡等存储介质）的驱动已经加载完成，并且/dev/block0已经存在。如果我们需要访问存储介质里面的文件，我们一般要先使用mount命令。mount命令对应的函数如下：int mount(const char *source, const char *target, const char *filesystemtype, unsigned long mountflags, const void *data);其中source是源设备（上面的/dev/block0），target为目标设备，filesystemtype为文件系统的名字，后面两个参数忽略，要想进一步了解请参阅Linux各大神书，这里为了简单忽略掉。Mount函数是一个系统调用，它的流程如下：Mount - sys_mount - do_mount - do_kern_mountMount的主要作用为帮助虚拟文件系统选择合适的路径（姑且这么说），下面以图说明问题：第一步：内核启动以后，VFS挂载了多个文件系统，文件系统的数据结构的名称为file_system_type ,这些数据结构以链表连起来。这里我们可以这样理解/dev/block0就是硬件+驱动（SD卡+驱动），而file_system_type结构对应的就是FAT32等文件系统，这些文件系统大部分都在内核中实现了。第二步：运行mount /dev/block0 TEMP EXT4（为了简单，只写这么多，其中TEMP为在虚拟文件系统上建立的文件夹）以后，TEMP文件夹就与相关的文件系统和硬件设备关联起来。Mount之后，上层应用程序对TEMP文件夹的操作就会保存到存储介质（上图的硬盘）上。2.4 File_system_type结构（特定文件系统必须实现其成员函数get_sb）File_system_type结构成员不多，我们仅解析它的两个个成员：成员name就是文件系统的名字，用于搜索配对。Get_sb函数的作用为在存储介质中获得super_block的实际内容，并且初始化super_block结构。在内核启动的过程中，会调用函数register_filesystem把file_system_type结构挂到相应的链表（暂时称之为表1）上去。2.5 Mount函数两步走Mount函数第一步是搜索文件系统链表（flie_system_type组成的链表，上面提到的表1），如果找到（可以简单的理解为通过name成员查找），则调用其中的get_sb函数，建立一个super_block结构，否则会去查找文件系统模块，有则加载，无则失败。第二步是根据得到的super_block建立vfsmount结构（该结构是文件夹和实际文件系统的桥梁，按照上面所说的就是TEMP和EXT4的桥梁），然后以TEMP为键值，把vfsmount加入hash表中（该hash表用于搜索文件夹对应的vfsmount，暂时称之为表2）。2.6 Dentry结构Dentry结构对应VFS的一个目录，例如这里的TEMP就对应一个Dentry结构。成员很多，但是为了简单，只解析两个字段。其中d_inode为该文件夹对应的inode（文件夹也是一个文件），d_mounted表示有多少个文件系统mount到这个文件夹上。这个桥梁的作用流程如下：当路径查找函数打开该文件夹的时候（例如上面所说的TEMP），一般是path_lookup - .-d_mountpoint，VFS首先会判断d_mounted是否为零，如果非零，就根据文件夹，从hash表（上面提到的表2）中搜索该文件夹对应的文件系统。搜索的函数流程为：_follow_down（一般在d_mountpoint后就会调用）- lookup_mnt。Lookup_mnt函数根据TEMP-vfsmount的hash表进行搜索，搜索成功则返回vfsmount，VFS根据vfsmount调用进行特定文件系统的操作。2.5 Vfsmount结构Vfsmount结构不算大，但是为了更好的理解，我们仅需要两个成员：其中mnt_sb为超级块，当mount完成之后，mnt_sb指向特定的文件系统，例如加载的是ext2文件系统，那么mnt_sb就会指向ext2_sb_info，也就是说如果自己写一个文件系统，那必须定义一个。而mnt_devname为设备名称，也就是上面提到的/dev/block0（可以简单的理解为硬件+驱动）。2.6 Super_block结构（特定文件系统必须实现该结构的子集）Super_block结构相当庞大，但是我们为了简单，只涉及两个成员：其中s_magic为魔数，正如2.1所说的，要写回存储介质，s_op成员是关键，它包括read_inode和write_inode等函数，这些函数中的部分都由特定的文件系统实现，文件系统没有实现的标记为NULL。2.7 Inode结构（特定文件系统必须实现该结构的子集）Inode结构也是相当庞大，但是为了简单，同样只涉及三个成员：其中i_size为文件的大小，正如2.1所说，该结构需要保存到存储介质上。成员i_op为文件的基本操作的函数集合，包括mkdir（文件夹也是一个文件），link和rename等函数，这些函数中的部分都由特定的文件系统实现，文件系统没有实现的标记为NULL。成员i_fop是文件操作函数的集合，必须由特定文件系统实现。2.8 File结构（特定文件系统必须实现该结构中f_op的子集）File结构的成员也很多，但是跟Inode和Super_block的最大区别在于File文件的成员不会保存在存储介质上，File结构定义如下：其中f_op为文件操作的函数集，这些函数主要由特定文件系统定义，其中f_op等于inode的i_fop。2.9 File_system_type、dentry、Vfsmount、Super_block、Inode和File结构之间的关系说了这么多结构，肯定有点晕了，我也是比较讨厌看书的时候写一大堆数据结构，所以上面的六个个结构我尽量精简，主要能说明主要脉络就可以。下面以图表明它们之间的关系：File_system_type通过get_sb函数（从存储介质读取数据）初始化Vfsmount的成员变量mnt_sb的部分成员，s_op由