深入剖析Linux文件系統的架構

一切都是文件： VFS

文件系統的設計，類(lèi)似 抽象基類(lèi)，面向對象的思想。

虛函數都必須由底層派生出的實(shí)例實(shí)現，使用成員函數 file_operations。在linux里面的文件操作，底層都要實(shí)現file_operations，抽象出owner，write，open，release。所以，無(wú)論是字符塊，還是文件系統的文件，最終操作就必須是file_operations。

例如，實(shí)現一個(gè)字符設備驅動(dòng)，就是去實(shí)現file_operations。VFS_read時(shí)就會(huì )調用字符設備的file_operations。

字符設備文件、塊設備文件

塊設備的兩種訪(fǎng)問(wèn)方法，一是訪(fǎng)問(wèn)裸分區，二是訪(fǎng)問(wèn)文件系統。

當直接訪(fǎng)問(wèn)裸分區，是通過(guò)fs/block_dev.c 中的 file_operations def_blk_fops，也有read,write,open，一切繼承到file_operations。如果是訪(fǎng)問(wèn)文件系統，就會(huì )通過(guò)實(shí)現 {ext4}_file_operations 來(lái)對接VFS對文件的操作。

塊設備驅動(dòng)就不需要知道file_operations，無(wú)論是裸設備，還是文件系統的file。他們實(shí)現的file_operations是把linux中的各種設備，hook進(jìn) VFS的方法。

文件最終如何轉化成對磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)？

file_operation 跟pagecache 以及硬盤(pán)的關(guān)系？

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整個(gè)文件系統里，除了放文件本身的數據，還包括文件的管理數據，包括：

• super block，保存在全局的 superblock結構中。
• inode，是文件的唯一特定標識，文件系統使用bitmap來(lái)標識，inode是否使用。
• block bitmap，來(lái)表示這些block是否占用，它在改變文件大小，創(chuàng )建刪除等操作時(shí)，都會(huì )改變。
• inode table/diagram ： bitmap 只是表示inode和block是否被占用。

超級塊、目錄、inode

• file_system_type 數據結構： 指的是 文件系統的類(lèi)型，mount/umount 的時(shí)候會(huì )用。
• superblock數據結構：包含super_operations，其中包含如何分配/銷(xiāo)毀一個(gè)inode。
• inode 數據結構：包含 inode_operations 和 file_operations。

file_operations里面記錄這種類(lèi)型的文件，包含哪些操作。 inode_operations里面包含如何生成新的inode，根據文件名字找到inode，如何mkdir,unlink.

• dentry 數據結構: 對應路徑，目錄在文件系統里面是一個(gè)特殊的文件，文件的內容是一個(gè)inode和文件的表格。
• file 數據結構:

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• inode表：包含文件的一些基本信息，大小，創(chuàng )建日期，屬性。還有一些成員指向硬盤(pán)所在的位置。 申請slab區域，比如 ext4_inode_cache , ext3_inode_cache. 這些cache會(huì )創(chuàng )建單獨的slab，這些slab和內存里的page一一對應。

ext2/ext4文件系統中存在間接映射表。

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硬盤(pán)里的inode diagram里的數據結構，在內存中會(huì )通過(guò)slab分配器，組織成 xxx_inode_cache，出現在meminfo的可回收的內存。 inode表也會(huì )記錄每一個(gè)inode 在硬盤(pán)中擺放的位置。

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目錄的組織

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目錄在硬盤(pán)里是一個(gè)特殊的文件，和之前的file結構體不同。目錄在硬盤(pán)中對應一個(gè)inode，記錄文件的名字和inode號。查找一個(gè)文件時(shí)，文件系統的 根inode和目錄，根據根目錄和根inode，找到根目錄所在硬盤(pán)的位置。再去做字符串匹配，就能夠找到 /A/B/ 。inode表也會(huì )記錄每一個(gè)inode 在硬盤(pán)中擺放的位置。

icache和dcache，slab shrink

文件系統在實(shí)現時(shí)，在vfs這一層的 inode cache 和 dentry cache，不管硬盤(pán)的系統，還是所有文件系統的通用信息。

針對這些cache，這些可以回收的slab，linux提供了專(zhuān)門(mén)的slab shrink- 收縮函數。
最后所有可回收的內存，都必須通過(guò)LRU算法去回收。
有些自己申請的 reclaim的內存，由于沒(méi)有寫(xiě) shrink函數，所以就無(wú)法進(jìn)行內存的回收。

文件讀寫(xiě)如何通過(guò)file_operation 和pagecache的關(guān)系

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發(fā)現并讀取/usr/bin/xxx的全流程

如上圖，當你在硬盤(pán)上查找 /usr/bin/emacs文件時(shí)，從根的inode和dentry，根據/的inode表，找到/ 目錄文件所在的硬盤(pán)中的位置，讀硬盤(pán)/目錄文件的內容，發(fā)現 usr 對應inode 2, bin 對應inode 3, share 對應inode4。再去查inode表，inode 2所在硬盤(pán)的位置，即/usr 目錄文件所在硬盤(pán)的位置。讀出內容包括 var 對應 inode 10, bin 對應inode 11, opt對應inode 12，。

這個(gè)過(guò)程會(huì )查找很多inode和 dentry，這些都會(huì )通過(guò) icache 和dcache緩存。

符號鏈接 與 硬鏈接

文件名是特殊目錄文件的內容，比如 A目錄下有b\c\d，其實(shí)就是 A這個(gè)目錄文件，里面對應目錄b,c,d和對應inode的表。

硬鏈接：在硬盤(pán)中是同一個(gè)inode存在，在目錄文件中多了一個(gè)目錄和inode對應。

符號鏈接：是linux中是真實(shí)存在的實(shí)體文件，文件內容指向 其他文件。符號鏈接和文件是不同的inode。

1、硬鏈接不能跨本地文件系統
2、硬鏈接不能針對目錄
3、針對目錄的軟鏈接，用rm -fr 刪除不了目錄里的內容
4、針對目錄的軟鏈接，"cd .."進(jìn)的是軟鏈接所在目錄的上級目錄
5、可以對文件執行unlink或rm，但是不能對目錄執行unlink

用戶(hù)空間的文件系統： FUSE

用戶(hù)空間文件系統 是操作系統中的概念，指完全在用戶(hù)態(tài)實(shí)現的文件系統。

目前Linux通過(guò)內核模塊對此進(jìn)行支持。一些文件系統如ZFS，glusterfs使用FUSE實(shí)現。

FUSE的工作原理如上圖所示。假設基于FUSE的用戶(hù)態(tài)文件系統hello掛載在/tmp/fuse目錄下。當應用層程序要訪(fǎng)問(wèn)/tmp/fuse下的文件時(shí)，通過(guò)glibc中的函數進(jìn)行系統調用，處理這些系統調用的VFS中的函數會(huì )調用FUSE在內核中的文件系統；內核中的FUSE文件系統將用戶(hù)的請求，發(fā)送給用戶(hù)態(tài)文件系統hello；用戶(hù)態(tài)文件系統收到請求后，進(jìn)行處理，將結果返回給內核中的FUSE文件系統；最后，內核中的FUSE文件系統將數據返回給用戶(hù)態(tài)程序。