LinuxVFS自顶向下分析

1、LinuxVFS（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

2、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CPUt归做什么一样，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。2.2VFS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

3、。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：intmount（constchar*source,constchar*target,constchar*filesystemtype,unsignedlongmountflags,constvoid*data）;其中source是源设备（上面的/dev/block0）,target为目

4、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的主要作用为心助虚拟文件系统应择合适的路径（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FAT

5、32等文件系统，这些文件系统大部分都在内核中实现了。一一第二步：运行mount/dev/block0TEMPEXT4（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。2.4File_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：structfile_system_typechar*name:structsuper_blockgei_sb(

6、);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。2.5Mount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成员查找丁，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

7、。南二步是根据得到的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）。2.6Dentry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。structdentrystructinode*dinode;structintdmounted;）其中 d_inode 为该文件夹对应的 inode（文件夹也是一个文件）

8、，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

9、vfsmount 调用进行特定文件系统的操作。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:structvfsmounta-4-istructsuper_block*mnt_sb;char*mnt_devname;）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，冠林是上面提到的/dev/block0（可以简单的理解为硬件+驱动）。Super_block结构（

10、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：structsuper_blockstructsuper_operations*s_op;unsignedlongs_magic;）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。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：structinodelof

11、ftisize:structinode_operations*i_op;structfile_operations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 NULLo 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。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

12、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：structfilestructfile_operations*1op;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i_fopFile_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 由特定文件系统初始化，Super_block 初始化完成后，通过 s_op 中的 read_inode等函数从存储介质中得到 inode 的数据，并初始化 inode,inode 中的 i_op 指向特定文件系统的函数集地址，当 i_node 初始化完成