Linux ???????

Linux内核源代码导读

中国科学技术大学计算机系

陈香兰（0551－3606864）

xlanchen@ustc.edu.cn

Spring 2009

Linux的虚拟文件系统

提纲



虚拟文件系统VFS的作用

VFS的数据结构

文件系统类型

文件系统安装

路径名查找

VFS系统调用的实现

文件加锁







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虚拟文件系统VFS的作用



虚拟文件系统

 Virtual Filesystem

 Virtual Filesystem Switch

 VFS是一个软件层，用来处理与Unix标准文件系统相

关的所有系统调用。

 是用户应用程序与文件系统实现之间的抽象层

 能为各种文件系统提供一个通用的、统一的接口

Linux与其他类Unix系统一样，采用虚拟文件系

统VFS来达到支持多种文件系统格式的目标





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VFS在一个简单文件复制操作中的作用



假设用户输入以下shell命令

$ cp /floppy/TEST /tmp/test

其中，

 /floppy是MS-DOS的磁盘的一个挂载点（安装点）

 /tmp是Ext2文件系统中的一个目录

对于cp命令而言，它不需要知道/floppy/TEST和

/tmp/test分别是什么文件系统类型

 在cp命令中，它通过VFS提供的系统调用接口进行文

件操作





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VFS支持的文件系统类型



 VFS支持的文件系统可以划分为三种主要类型

 基于磁盘的文件系统：它们管理在本地磁盘分区中可用的存储

空间

 Linux使用的文件系统：ext2、ext3、ReiserFS

 Unix家族的文件系统：SYSV文件系统，UFS，MINIX文件系统以

及VERITAS VxFS

 微软公司的文件系统：MS-DOS、VFAT以及NTFS

 ISO9660CD-ROM文件系统和通用磁盘格式的DVD文件系统

 其他有专利权的文件系统，如HPFS、HFS、AFFS、ADFS

 起源于非Linux系统的其他日志文件系统，JFS，XFS









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 网络文件系统：用于访问属于其他网络计算机的文件系统所包

含的文件

 NFS、Coda、AFS、SMB、NCP

 特殊文件系统

 不同于上述两大类

 不管理具体的磁盘空间

 /proc

 各种不同的文件系统通过mount（挂载、安装）到根文

件系统中

 在Linux中，根文件系统即根目录所代表的文件系统

 通常是ext2文件系统









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VFS中通用文件模型概念



VFS的基本思想：引入一个通用文件模型，这个

模型能够表示所有支持的文件系统

 对于一个具体实现的文件系统，在处理时，需要将其

进行概念上的转换

 例如，在通用文件模型中，目录被看成是普通文件

 在实现上，

read()sys_readfile数据结构f_opMS_DOS文件操作指

针（其中的read操作）

 类似面向对象的概念









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sys_read(unsigned int fd, char __user * buf, size_t count)





vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)





file->f_op->read(file, buf, count, pos);









例如：字符设备：filp->f_op = fops_get(p->ops);









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通用文件模型有下列对象类型组成

 超级块对象（superblock object）

 存放文件系统相关信息：例如文件系统控制块

 索引节点对象（inode object）

 存放具体文件的一般信息：文件控制块/inode

 文件对象（file object）

 存放已打开的文件和进程之间交互的信息

 目录项对象（dentry object）

 存放目录项与文件的链接信息









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三个不同的进程打开同一个文件









同一个

硬链接









两个不同的硬链接





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VFS所处理的系统调用



 mount、umount：挂载/卸载文件系统

 sysfs ：获取文件系统信息

 statfs、fstatfs、ustat ：获取文件系统统计信息

 chroot ：更改根目录

 chdir、fchdir、getcwd ：操纵当前工作目录

 mkdir、rmdir ：创建/删除目录

 getdents、readdir 、link 、unlink 、rename ：对目录项进行操作

 readlink 、symlink ：对符号链接进行操作

 chown 、fchown 、lchown ：更改文件所有者

 chmod 、fchmod 、utime ：更改文件属性

 open、close、create …









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上述大部分操作之需要与通用文件模型中的一些

对象打交道，而不需要真正操作具体的文件系统

和文件，因此可以把VFS看成是一个“通用”的文

件系统，在必要时依赖某种具体的文件系统









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VFS的数据结构



每个VFS对象都对应一定的数据结构，在这个数

据结构中包含对象的属性及其方法



一个具体的文件系统：超级块对象：super_block

 所有超级块链表：super_blocks ：s_list域

 文件系统特有信息：s_fs_info域

 脏标志：s_dirt域

 文件系统特有方法：super_operations数据结构及域







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一个具体的文件：Inode对象：inode

 Inode特有的方法





一个打开文件：文件对象：file

 文件操作指针f_pos

 文件对象特有的方法



 专用高速缓存：flip，filp_cachep





目录项对象：dentry

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与进程相关的文件



文件系统相关信息fs_struct

打开文件相关信息files_struct









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文件系统类型



特殊文件系统

 用来为系统程序员、系统管理员等提供一种容易的方

式来操作内核的数据结构并实现操作系统的特殊特征

 常用的特殊文件系统









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文件系统类型的注册



文件系统类型：file_system_type







在系统初始化期间，register_filesystem()用来注

册编译时指定的每个文件系统

 相应的文件系统对象被插入到file_systems链表中

unregister_filesystem()









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文件系统的挂载



根文件系统

 在系统初始化过程中被直接mount

 提供系统初始化脚本以及基本命令

每个文件系统都有自己的根目录

如果一个文件系统的根目录是系统目录树的根目

录，那个这个文件系统就是根文件系统

其他文件系统可以挂载到系统的目录树上

 这样的目录称为挂载点（mount点，安装点）

文件系统之间的挂载关系对应文件系统之间的父

子关系

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例如，放在软盘/dev/fd0上的ext2文件系统，可

通过下列命令安装在/flp上

mount -t ext2 /dev/fd0 /flp

一般情况下，只允许挂载一次

在umount之前，其他对/dev/fd0的挂载命令会失

败

在2.4中，可以挂载多次

 不管被挂载多少次，只有一个真实的文件系统，因此

只有一个超级块对象





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已挂载文件系统描述符vfsmount



挂载根文件系统

 第一阶段：安装一个特殊的文件系统，该文件系统仅

提供一个作为初始安装点的空目录：init_mount_tree

 第二阶段：mount_root

挂载一个文件系统

 sys_mount

卸载一个文件系统

 sys_umount

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从mount操作到get_sb的过程

sys_mount(char __user * dev_name, char __user * dir_name,

char __user * type, unsigned long flags,

void __user * data)



do_mount(char *dev_name, char *dir_name, char *type_page,

unsigned long flags, void *data_page)



do_new_mount(struct nameidata *nd, char *type, int flags,

int mnt_flags, char *name, void *data)





do_kern_mount(const char *fstype, int flags, const char *name, void *data)



vfs_kern_mount(struct file_system_type *type, int flags,

const char *name, void *data)







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路径名查找



VFS是如何从文件路径名找到相应的索引节点的

？

 分析路径名，将它拆分成一个文件名序列

 除了最后一个文件名之外，其他所有文件名必定都是

目录名





搜索的起点：

 绝对路径：currentfsroot

 相对路径：currentfspwd





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首先找到起点目录的索引节点

在这个索引节点的目录文件中，找到第一个目录

名（文件名）所对应的索引节点

在第一个目录名的索引节点的目录文件中找到第

二个目录名（文件名）所对应的索引节点

…反复，直到文件名序列的最后一项









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在上述查找过程中要处理的其他问题：

 对每个目录的访问权限必须进行检查

 若是符号链接，需要进行扩展

 要考虑符号链接的循环引用（进行处理）

 目录名可能是一个文件系统的安装点，必须扩展到一

个新的文件系统中



路径名查找

 数据结构：struct nameidata







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路径名查找过程



path_lookup_open path_lookup_create





__path_lookup_intent_open



do_path_lookup





path_walk



link_path_walk



__link_path_walk





do_lookup

…

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查找操作的标志









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标准查找操作



要处理的问题

 跳过第一个路径名分量前的任何/

 考虑符号链接的查找

 检查权限

 考虑“.”

 考虑“..”

 考虑普通目录，要在目录项高速缓存中查找

…









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父路径名的查找



在很多情况下，查找操作的真正目的不是路径名

的最后一个分量，而是最后分量的前一个分量

 例如创建一个文件时

 此时，路径解析的结果中存放最后一个分量所在目录

对应的对象









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符号链接的查找



关于符号链接的解析由内核来完成



如何识别这是一个符号链接？

如何处理符号链接的循环情况？









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VFS系统调用的实现



 仍然考虑

$ cp /floppy/TEST /tmp/test

 假定cp执行下列代码片段（实际要更复杂）

 inf = open("/floppy/TEST", O_RDONLY, 0);

outf = open("/tmp/test", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC,

0600);

do {

len = read(inf, buf, 4096);

write(outf, buf, len);

} while (len);

close(outf);

close(inf);









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open()系统调用

 sys_open

read和write系统调用

 sys_write

 sys_read

close系统调用

 sys_close









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打开一个文件：f_op的设置



sys_open(const char __user *filename, int flags, int mode)



do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, int mode)



do_filp_open(int dfd, const char *pathname,

int open_flag, int mode)





path_lookup_open或

nameidata_to_filp(struct nameidata *nd, int flags)

path_lookup_create





__dentry_open中：









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上述几个数据结构之间的关系：



Linux内核支持哪些文件系统类型？取决于

 register_filesystem，注册文件系统类型

 提供具体的文件系统类型的定义，如romfs，ramfs，ext2fs等

 其中包含一个get_sb方法

加载一个具体的文件系统时（mount）

 调用get_sb填写文件系统的超级块，包括填写超级块

方法

打开一个文件时

 确定目录项；确定inode（及文件方法）；初始化file

结构等





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Project



分析一个具体的文件系统类型的实现，并分析它

如何能通过VFS加入到Linux系统中

 例如romfs；ramfs；ext2；ext3等等

并做如下实验：

 使用静态编译或者动态加载的方法，使得你使用的

Linux内核支持你分析的文件系统类型

 在你的Linux环境中创建一个文件系统映像

 将你创建的文件系统映像mount到你的Linux环境中

 在你创建的文件系统中进行读写





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Thanks！

The end.