24小時學通Linux核心之有關Linux檔案系統實作的問題

Linux的使用和使用者空間程式的程式設計與檔案系統密切相關。對於檔案系統的概念，大家可能已經比較熟悉了，所以我不會過度講解。畢竟，只要能了解這些概念就可以了，對於想深入了解的人，可以隨時透過百度等搜尋引擎獲取更多資訊。現在我將重點放在Linux的虛擬檔案系統。

虛擬檔案系統是Linux的一個重要特性之一，它支援多種不同的檔案系統。文件系統的架構如下圖所示：[圖片見原文]

上圖中VFS(虛擬檔案系統)依賴資料結構來保存其對一個檔案系統的一般表示，其中資料結構羅列如下：

• 超級區塊結構：存放已經安裝的檔案系統的相關資訊；

• 索引結點結構:存放有關文件的 資訊；

• 檔案結構：存放已行程開啟的檔案的相關資訊；

• 目錄項目結構：存放有關路徑名和路徑名所指向的檔案的資訊。

  Linux核心使用全域變數來保存先前提到的指向結構體的指針，所有的結構都用雙向鍊錶保存，核心保存指向鍊錶頭的指針，並且把它當作鍊錶的存取點，這些結構都用list_head類型的域，用它來指向鍊錶中的前一個元素，下表是內核保存的全域變數以及這些變數指向的鍊錶類型(與VFS相關的全域變數）

全域變數	結構類型
super_blocks	#super_block
file_systems	#file_systems_type
dentry_unused	dentry
vfsmntlist	vfsmount
inode_in_use	inode
inode_unused	inode

#

super_block、file_system_type、dentry、vfsmoubt結構都保存在它們自己的鍊錶中，索引結點能夠在全域的inode_in_use上或inode_unused上找到自己，或者它們對應的超快的局部鍊錶上都可以找到自己。

除了主要的VFS結構之外，還有幾個其他的結構與VFS相互作用，fs_struct和files_struct,namespace,fd_set，下圖講訴了進程描述符是如何與檔案相關的結構相關聯的。

先來介紹fs_struct結構，fs_struct結構可以被多個行程描述子引用，下述程式碼在include/Linux/fs_struct.h中可以查到哦,程式碼解釋不好的請大神指教

struct fs_struct{
    atomic_t count;  //保存引用特定fs_struct的进程描述符数目
    rwlock_t lock;
    int umask;  //保存一个掩码，表示将要在打开文件上设置的许可权
    struct dentry * root, *pwd ,*altroot;  //都是指针，，，，
    struct vfsmount * rootmnt, *pwdmnt,  *altrootmnt;  //指针，
};

files_struct包含開啟檔案和其描述符的相關訊息，它使用這些集合來對它的描述符進行分組。下面程式碼可以在include/linux/file.h上查看到

struct files_struct{
    atomic_t count;  //与fs_struct类似
    spinlock_t file_lock;
    int max_fds;  //表示进程能够打开的文件的最大数
    int max_fdset;  //表示描述符的最大数
    int next_fd;  //保存下一个将要分配的文件描述符的值
    struct file ** fd;  //fd数组指向打开的文件对象的数组
    fd_set *close_on_exec; //是指向文件描述符集的一个指针，这些文件描述符在exec()时候就被标志位将要关闭，如果在exec()时候被标志位“打开”的文件描述符数超过close_on_exec_init域的大小，则改变close_on_exec域的值；
    fd_set *open_fds; //是一个指针，指向被标记为“打开”的文件描述符集合，
    fd_set close_on_exec_init;  //保存一个位域，表示打开文件对应的文件描述符
    fd_set open_fds_init;    //这些都是fd_set类型的域，其实都不懂，，，
    struct file *fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];//fd_array数组指针指向前32个打开的文件描述法
};

透過INIT_FILES巨集初始化fs_struct結構：

#define INIT_FILES \
{
    .count = ATOMIC_INIT(1),
    .file_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED,
    .max_fds = NR_OPEN_DEFAULT,
    .max_fdset = __FD_SETSIZE,
    .next_fd = 0,
    .fd = &init_files.fd_array[0];
    .close_on_exec = &init_files.close_on_exec_init,
    .open_fds = &init_files.open_fds_init,
    .close_on_exec_init = {{0, }},
    .open_fda_init = {{0, }},
    .fd_array = {NULL, }
}

NR_OPEN_DEFAULT的全域定義被設定為BITS_PER_LONG，BITS_PER_LONG在32位元系統中是32，在64位元系統中是64.

下面來介紹一下頁緩衝，我們現在看看它是如何運作和實現的。在Linux中，記憶體被分成區，每個擁有活躍頁的鍊錶和不活躍的鍊錶，當頁不活躍的時候，就會被寫回磁碟，下圖說明了上述關係：

image-20240202221039708

頁緩衝的核心是address_space對象，其程式碼在include/linux/fs.h中可以查看(這段程式碼不是很懂，求大神指教)：

struct address_space{    
    struct inode *host;
    struct radix_tree_root page_tree;
    spinlock_t tree_lock;
    unsigned long nrpages;
    pgoff_t writeback;
    struct address_space_operations *a_ops;
    struct prio_tree_root i_map;
    unsigned inr i_map_lock;
    struct list_head i_mmap_nonlinear;
    spinlock_t i_mmap_lock;
    atomic_t truncate_count;
    unsigned long flags;
    struct backing_dev_info *backing_dev_info;
    spinlock_t private_lock;
    struct list_head private_list;
    struct address_space *assoc_mapping;
};

Linux核心也把區塊裝置上的每個磁區表示buffer_head結構，buffer_head結構應用的物理區是裝置b_dev的邏輯區塊b_blocknr，引用的實體記憶體是起始在區塊大小為b_size個位元組的b_data記憶體資料區塊，這個記憶體區塊在物理頁b_page中，其結構如下圖：

最後來說說VFS系統呼叫和檔案系統層，並且追蹤它們的執行直到核心級別，我們得先了解四個函數：open()、close()、read()、write() 。

open()函數：

open 函數用於開啟和建立檔案。以下是 open 函數的簡單描述

#include 
int open(const char *pathname, int oflag, ... );

傳回值：成功則傳回檔案描述符，否則傳回 -1

對於 open 函數來說，第三個參數（…）僅在建立新檔案時才使用，用於指定檔案的存取權位元（access permission bits）。 pathname 是待開啟/建立檔案的路徑名稱（如 C:/cpp/a.cpp）；oflag 用來指定檔案的開啟/建立模式，這個參數可由下列常數（定義於 fcntl.h）透過邏輯或構成。

• O_RDONLY 唯讀模式

• O_WRONLY 只寫模式

• O_RDWR 讀寫模式

• 開啟/建立檔案時，至少得使用上述三個常數中的一個。以下常數是選用的：

• O_APPEND 每次寫入作業都會寫入檔案的結尾

• O_CREAT 如果指定檔案不存在，則建立這個檔案

• O_EXCL 如果要建立的檔案已存在，則傳回 -1，並且修改 errno 的值

• O_TRUNC 如果檔案存在，並且以唯寫/讀寫方式打開，則清空檔案全部內容

• O_NOCTTY 如果路徑名稱指向終端設備，不要把這個裝置當作控制終端。

• O_NONBLOCK 如果路徑名稱指向 FIFO/區塊檔案/字元文件，則把檔案的開啟和後繼 I/O設定為非阻塞模式（nonblocking mode）

• 以下三個常數同樣是選用的，它們用來同步輸入輸出

• O_DSYNC 等待物理 I/O 結束後再 write。在不影響讀取新寫入的資料的前提下，不等待檔案屬性更新。

• O_RSYNC read 等待所有寫入相同區域的寫入操作完成後再進行

• O_SYNC 等待物理 I/O 結束後再 write，包括更新檔案屬性的 I/O

  open 傳回的檔案描述符一定是最小的未被使用的描述符。

  如果NAME_MAX（檔案名稱最大長度，不包含'\0'）是14，而我們想在目前目錄下建立檔案名稱長度超過14 個位元組的文件，早期的System V 系統（如SVR2）會截斷超出部分，只保留前14 個位元組；而由BSD 衍生的（BSD-derived）系統會傳回錯誤訊息，並且把errno 置為ENAMETOOLONG。

  POSIX.1 引入常量 _POSIX_NO_TRUNC 用于决定是否截断长文件名/长路径名。如果_POSIX_NO_TRUNC 设定为禁止截断，并且路径名长度超过 PATH_MAX（包括 ‘\0’），或者组成路径名的任意文件名长度超过 NAME_MAX，则返回错误信息，并且把 errno 置为 ENAMETOOLONG。

close()函数

进程使用完文件后，发出close()系统调用：

sysopsis

#include 
int close(int fd);

参数：fd文件描述符

函数返回值：0成功，-1出错

参数fd是要关闭的文件描述符。需要说明的是：当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。但是对于一个长年累月运行的程序（比如网络服务器），打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。

read()函数

当用户级别程序调用read()函数时，Linux把它转换成系统调sys_read()：

功能描述：从文件读取数据。
所需头文件： #include

函数原型：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数：

• fd： 将要读取数据的文件描述词。

• buf：指缓冲区，即读取的数据会被放到这个缓冲区中去。

• count：表示调用一次read操作，应该读多少数量的字符。

• 返回值：返回所读取的字节数；0（读到EOF）；-1（出错）。

• 以下几种情况会导致读取到的字节数小于 count ：

• 读取普通文件时，读到文件末尾还不够 count 字节。例：如果文件只有 30 字节，而我们想读取 100，字节，那么实际读到的只有 30 字节， 函数返回 30 。此时再使用 read 函数作用于这个文件会导致 read 返回 0

• 从终端设备（terminal device）读取时，一般情况下每次只能读取一行。

• 从网络读取时，网络缓存可能导致读取的字节数小于 count字节。

• 读取 pipe 或者 FIFO 时，pipe 或 FIFO 里的字节数可能小于 count 。

• 从面向记录（record-oriented）的设备读取时，某些面向记录的设备（如磁带）每次最多只能返回一个记录。

• 在读取了部分数据时被信号中断，读操作始于 cfo 。在成功返回之前，cfo 增加，增量为实际读取到的字节数。

  例程如下(程序是网上找的例子，贴下来以以供大家理解一下):：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(void)
{
    void* buf ;
    int handle;
    int bytes ;
    buf=malloc(10);
    /*
    LooksforafileinthecurrentdirectorynamedTEST.$$$andattempts
    toread10bytesfromit.Tousethisexampleyoushouldcreatethe
    fileTEST.$$$
    */
    handle=open("TEST.$$$",O_RDONLY|O_BINARY,S_IWRITE|S_IREAD);
    if(handle==-1)
    {
        printf("ErrorOpeningFile\n");
        exit(1);
    }
    bytes=read(handle,buf,10);
    if(bytes==-1)
    {
        printf("ReadFailed.\n");
        exit(1);
    }
    else 
    {
        printf("Read:%dbytesread.\n",bytes);
    }
    return0 ;
}

write()函数

功能描述：向文件写入数据。
所需头文件： #include

函数原型：ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count);

返回值：写入文件的字节数（成功）；-1（出错）

功能：write 函数向 filedes 中写入 count 字节数据，数据来源为 buf 。返回值一般总是等于 count，否则就是出错了。常见的出错原因是磁盘空间满了或者超过了文件大小限制。对于普通文件，写操作始于 cfo 。如果打开文件时使用了 O_APPEND，则每次写操作都将数据写入文件末尾。成功写入后，cfo 增加，增量为实际写入的字节数。

例程如下(程序是网上找的例子，贴下来以以供大家理解一下):

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(void)
{
int *handle; char string[40];
int length, res;/* Create a file named "TEST.$$$" in the current directory and write a string to it. If "TEST.$$$" already exists, it will be overwritten. */
if ((handle = open("TEST.$$$", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IREAD | S_IWRITE)) == -1)
{
printf("Error opening file.\n");
exit(1);
}
strcpy(string, "Hello, world!\n");
length = strlen(string);
if ((res = write(handle, string, length)) != length)
{
printf("Error writing to the file.\n");
exit(1);
}
printf("Wrote %d bytes to the file.\n", res);
close(handle); return 0; }

小结

今天看的代码不多，差不多都是网上找的代码，有些解释也是查阅资料写上去的，有些还是不懂，希望各路大神指教，这里我总结了有关Linux文件系统实现的问题，但是具体的细节方面并没有提及到，大家看了之后应该只能有一个大致的最Linux文件系统的了解，有读者问我看的是哪些书，这里我说明一下，看了Linux内核编程，还有深入理解Linux内核以及网上各种资料或者其他大牛写的好的博客。这里我是总结了一下，并且把自己不懂的还有觉得重要的说了一下，希望各位大神给些建议，thanks~

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