24小时学通Linux内核之有关Linux文件系统实现的问题

Linux的使用和用户空间程序的编程与文件系统密切相关。对于文件系统的概念，大家可能已经比较熟悉了，所以我不会过多地讲解。毕竟，只要能了解这些概念就可以了，对于想深入了解的人，可以随时通过百度等搜索引擎获取更多信息。现在我将重点介绍Linux的虚拟文件系统。

虚拟文件系统是Linux的一个重要特性之一，它支持多种不同的文件系统。文件系统的结构如下图所示：[图片见原文]

上图中VFS(虚拟文件系统)依赖数据结构来保存其对一个文件系统的一般表示，其中数据结构罗列如下：

• 超级块结构：存放已经安装的文件系统的相关信息；

• 索引结点结构:存放有关文件的 信息；

• 文件结构：存放被进程打开的文件的相关信息；

• 目录项结构：存放有关路径名和路径名所指向的文件的信息。

  Linux内核使用全局变量来保存先前提到的指向结构体的指针，所有的结构都用双向链表保存，内核保存指向链表头的指针，并且把它作为链表的访问点，这些结构都用list_head类型的域，用它来指向链表中的前一个元素，下表是内核保存的全局变量以及这些变量指向的链表类型(与VFS相关的全局变量）

全局变量	结构类型
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结构都保存在它们自己的链表中，索引结点能够在全局的inode_in_use上或者inode_unused上找到自己，或者它们对应的超级快的局部链表上都可以找到自己。

除了主要的VFS结构之外，还有几个其他的结构与VFS相互作用，fs_struct和files_struct,namespace,fd_set，下图讲诉了进程描述符是如何与文件相关的结构相关联的。

先来介绍fs_struct结构，fs_struct结构可以被多个进程描述符引用，下述代码在include/Linux/fs_struct.h中可以查到哦,代码解释不好的请大神指教

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包含打开文件和其描述符的相关信息，它使用这些集合来对它的描述符进行分组。下面代码在include/linux/file.h上可以查看到

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
};

通过INIT_FILES宏初始化fs_struct结构：

#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的全局定义被设置为BITS_PER_LONG，BITS_PER_LONG在32位系统中是32，在64位系统中是64.

下面来介绍一下页缓冲，我们现在看看它是如何工作和实现的。在Linux中，内存被分成区，每个拥有活跃页的链表和不活跃的链表，当页不活跃的时候，就会被写回磁盘，下图说明了上述关系：

image-20240202221039708

页缓冲的核心是address_space对象，其代码在include/linux/fs.h中可以查看(这段代码不是很懂，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内核还把块设备上的每个扇区表示buffer_head结构，buffer_head结构应用的物理区是设备b_dev的逻辑块b_blocknr，引用的物理内存是起始于块大小为b_size个字节的b_data内存数据块，这个内存块在物理页b_page中，其结构如下图：

最后来说说VFS系统调用和文件系统层，并且追踪它们的执行直到内核级别，我们得先了解四个函数：open()、close()、read()、write()。

open()函数：

open 函数用于打开和创建文件。以下是 open 函数的简单描述

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

返回值：成功则返回文件描述符，否则返回 -1

对于 open 函数来说，第三个参数（…）仅当创建新文件时才使用，用于指定文件的访问权限位（access permission bits）。pathname 是待打开/创建文件的路径名（如 C:/cpp/a.cpp）；oflag 用于指定文件的打开/创建模式，这个参数可由以下常量（定义于 fcntl.h）通过逻辑或构成。

• O_RDONLY 只读模式

• O_WRONLY 只写模式

• O_RDWR 读写模式

• 打开/创建文件时，至少得使用上述三个常量中的一个。以下常量是选用的：

• O_APPEND 每次写操作都写入文件的末尾

• O_CREAT 如果指定文件不存在，则创建这个文件

• O_EXCL 如果要创建的文件已存在，则返回 -1，并且修改 errno 的值

• O_TRUNC 如果文件存在，并且以只写/读写方式打开，则清空文件全部内容

• O_NOCTTY 如果路径名指向终端设备，不要把这个设备用作控制终端。

• O_NONBLOCK 如果路径名指向 FIFO/块文件/字符文件，则把文件的打开和后继 I/O设置为非阻塞模式（nonblocking mode）

• 以下三个常量同样是选用的，它们用于同步输入输出

• O_DSYNC 等待物理 I/O 结束后再 write。在不影响读取新写入的数据的前提下，不等待文件属性更新。

• O_RSYNC read 等待所有写入同一区域的写操作完成后再进行

• O_SYNC 等待物理 I/O 结束后再 write，包括更新文件属性的 I/O

  open 返回的文件描述符一定是最小的未被使用的描述符。

  如果 NAME_MAX（文件名最大长度，不包括’

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