从零到一手写操作系统（十、文件系统 2）linux虚拟文件系统）
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艾恩凝
手写操作系统目录
10.2）linux虚拟文件系统
什么是VFS？
可以理解为通用文件系统抽象层。在 Linux 中，支持 EXT、XFS、JFS、BTRFS、FAT、NTFS 等多达十几种不同的文件系统，但不管在什么储存设备上使用什么文件系统，也不管访问什么文件，都可以统一地使用一套 open(), read()、write()、close() 这样的接口。
数据结构
超级块
struct super_block {
struct list_head s_list; //超级块链表
dev_t s_dev; //设备标识
unsigned char s_blocksize_bits;//以位为单位的块大小
unsigned long s_blocksize;//以字节为单位的块大小
loff_t s_maxbytes; //一个文件最大多少字节
struct file_system_type *s_type; //文件系统类型
const struct super_operations *s_op;//超级块函数集合
const struct dquot_operations *dq_op;//磁盘限额函数集合
unsigned long s_flags;//挂载标志
unsigned long s_magic;//文件系统魔数
struct dentry *s_root;//挂载目录
struct rw_semaphore s_umount;//卸载信号量
int s_count;//引用计数
atomic_t s_active;//活动计数
struct block_device *s_bdev;//块设备
void *s_fs_info;//文件系统信息
time64_t s_time_min;//最小时间限制
time64_t s_time_max;//最大时间限制
char s_id[32]; //标识名称
uuid_t s_uuid; //文件系统的UUID
struct list_lru s_dentry_lru;//LRU方式挂载的目录
struct list_lru s_inode_lru;//LRU方式挂载的索引结点
struct mutex s_sync_lock;//同步锁
struct list_head s_inodes; //所有的索引节点
spinlock_t s_inode_wblist_lock;//回写索引节点的锁
struct list_head s_inodes_wb; //挂载所有要回写的索引节点
} __randomize_layout;
超级块函数
struct super_operations {
//分配一个新的索引结点结构
struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
//销毁给定的索引节点
void (*destroy_inode)(struct inode *);
//释放给定的索引节点
void (*free_inode)(struct inode *);
//VFS在索引节点为脏(改变)时，会调用此函数
void (*dirty_inode) (struct inode *, int flags);
//该函数用于将给定的索引节点写入磁盘
int (*write_inode) (struct inode *, struct writeback_control *wbc);
//在最后一个指向索引节点的引用被释放后，VFS会调用该函数
int (*drop_inode) (struct inode *);
void (*evict_inode) (struct inode *);
//减少超级块计数调用
void (*put_super) (struct super_block *);
//同步文件系统调用
int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);
//释放超级块调用
int (*freeze_super) (struct super_block *);
//释放文件系统调用
int (*freeze_fs) (struct super_block *);
int (*thaw_super) (struct super_block *);
int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);
//VFS通过调用该函数，获取文件系统状态
int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);
//当指定新的安装选项重新安装文件系统时，VFS会调用此函数
int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
//VFS调用该函数中断安装操作。该函数被网络文件系统使用，如NFS
void (*umount_begin) (struct super_block *);
};
有了超级块和超级块函数集合结构，VFS 就能让一个文件系统的信息和表示变得规范了。也就是说，文件系统只要实现了 super_block 和 super_operations 两个结构，就可以插入到 VFS 中了。
目录结构
图中显示了 Linux 文件目录情况，也显示了一个设备上的文件系统是如何挂载到某个目录下的。
//快速字符串保存关于字符串的 "元数据"（即长度和哈希值）
struct qstr {
union {
struct {
HASH_LEN_DECLARE;
};
u64 hash_len;
};
const unsigned char *name;//指向名称字符串
};
struct dentry {
unsigned int d_flags; //目录标志
seqcount_spinlock_t d_seq; //锁
struct hlist_bl_node d_hash;//目录的哈希链表
struct dentry *d_parent; //指向父目录
struct qstr d_name; //目录名称
struct inode *d_inode; //指向目录文件的索引节点
unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; //短目录名
struct lockref d_lockref; //目录锁与计数
const struct dentry_operations *d_op;//目录的函数集
struct super_block *d_sb; //指向超级块
unsigned long d_time; //时间
void *d_fsdata; //指向具体文件系统的数据
union {
struct list_head d_lru; //LRU链表
wait_queue_head_t *d_wait;
};
struct list_head d_child; //挂入父目录的链表节点
struct list_head d_subdirs; //挂载所有子目录的链表
} __randomize_layout;
dentry 结构中包含了目录的名字和挂载子目录的链表，同时也能指向父目录。但是需要注意的是，目录也是文件，需要用 inode 索引结构来管理目录文件数据。
目录文件函数
struct dentry_operations {
//该函数判断目录对象是否有效
int (*d_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);
int (*d_weak_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);
//该函数为目录项生成散列值，当目录项要加入散列表中时，VFS调用该函数
int (*d_hash)(const struct dentry *, struct qstr *);
//VFS调用该函数来比较name1和name2两个文件名。多数文件系统使用VFS的默认操作，仅做字符串比较。对于有些文件系统，比如FAT，简单的字符串比较不能满足其需要，因为 FAT文件系统不区分大小写
int (*d_compare)(const struct dentry *,
unsigned int, const char *, const struct qstr *);
//当目录项对象的计数值等于0时，VFS调用该函数
int (*d_delete)(const struct dentry *);
//当分配目录时调用
int (*d_init)(struct dentry *);
//当目录项对象要被释放时，VFS调用该函数，默认情况下，它什么也不做
void (*d_release)(struct dentry *);
void (*d_prune)(struct dentry *);
//当一个目录项对象丢失了相关索引节点时，VFS调用该函数。默认情况下VFS会调用iput()函数释放索引节点
void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
//当需要生成一个dentry的路径名时被调用
char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
//当要遍历一个自动挂载时被调用（可选），这应该创建一个新的VFS挂载记录并将该记录返回给调用者
struct vfsmount *(*d_automount)(struct path *);
//文件系统管理从dentry的过渡（可选）时，被调用
int (*d_manage)(const struct path *, bool);
//叠加/联合类型的文件系统实现此方法
struct dentry *(*d_real)(struct dentry *, const struct inode *);
} ____cacheline_aligned;
文件索引结点
VFS 用 inode 结构表示一个文件索引结点，它里面包含文件权限、文件所属用户、文件访问和修改时间、文件数据块号等一个文件的全部信息，一个 inode 结构就对应一个文件。
struct inode {
umode_t i_mode;//文件访问权限
unsigned short i_opflags;//打开文件时的标志
kuid_t i_uid;//文件所属的用户id
kgid_t i_gid;//文件所属的用户组id
unsigned int i_flags;//标志
const struct inode_operations *i_op;//inode函数集
struct super_block *i_sb;//指向所属超级块
struct address_space *i_mapping;//文件数据在内存中的页缓存
unsigned long i_ino;//inode号
dev_t i_rdev;//实际设备标志符
loff_t i_size;//文件大小，以字节为单位
struct timespec64 i_atime;//文件访问时间
struct timespec64 i_mtime;//文件修改时间
struct timespec64 i_ctime;//最后修改时间
spinlock_t i_lock; //保护inode的自旋锁
unsigned short i_bytes;//使用的字节数
u8 i_blkbits;//以位为单位的块大小；
u8 i_write_hint;
blkcnt_t i_blocks;
struct list_head i_io_list;
struct list_head i_lru; //在缓存LRU中的链表节点
struct list_head i_sb_list;//在超级块中的链表节点
struct list_head i_wb_list;
atomic64_t i_version;//版本号
atomic64_t i_sequence;
atomic_t i_count;//计数
atomic_t i_dio_count;//直接io进程计数
atomic_t i_writecount;//写进程计数
union {
const struct file_operations *i_fop;//文件函数集合
void (*free_inode)(struct inode *);
};
struct file_lock_context *i_flctx;
struct address_space i_data;
void *i_private; //私有数据指针
} __randomize_layout;
文件函数
struct inode_operations {
//VFS通过系统create()和open()接口来调用该函数，从而为dentry对象创建一个新的索引节点
int (*create) (struct inode *, struct dentry *,int);
//该函数在特定目录中寻找索引节点，该索引节点要对应于dentry中给出的文件名
struct dentry * (*lookup) (struct inode *, struct dentry *);
//被系统link()接口调用，用来创建硬连接。硬链接名称由dentry参数指定
int (*link) (struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
//被系统unlink()接口调用，删除由目录项dentry链接的索引节点对象
int (*unlink) (struct inode *, struct dentry *);
//被系统symlik()接口调用，创建符号连接，该符号连接名称由symname指定，连接对象是dir目录中的dentry目录项
int (*symlink) (struct inode *, struct dentry *, const char *);
//被mkdir()接口调用，创建一个新目录。
int (*mkdir) (struct inode *, struct dentry *, int);
//被rmdir()接口调用，删除dentry目录项代表的文件
int (*rmdir) (struct inode *, struct dentry *);
//被mknod()接口调用，创建特殊文件(设备文件、命名管道或套接字)。
int (*mknod) (struct inode *, struct dentry *, int, dev_t);
//VFS调用该函数来移动文件。文件源路径在old_dir目录中，源文件由old_dentry目录项所指定，目标路径在new_dir目录中，目标文件由new_dentry指定
int (*rename) (struct inode *, struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
//被系统readlink()接口调用，拷贝数据到特定的缓冲buffer中。拷贝的数据来自dentry指定的符号链接
int (*readlink) (struct dentry *, char *, int);
//被VFS调用，从一个符号连接查找他指向的索引节点
int (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
//在follow_link()调用之后，该函数由vfs调用进行清除工作
int (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
//被VFS调用，修改文件的大小，在调用之前，索引节点的i_size项必须被设置成预期的大小
void (*truncate) (struct inode *);
//该函数用来检查给定的inode所代表的文件是否允许特定的访问模式，如果允许特定的访问模式，返回0，否则返回负值的错误码
int (*permission) (struct inode *, int);
//被notify_change接口调用，在修改索引节点之后，通知发生了改变事件
int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
//在通知索引节点需要从磁盘中更新时，VFS会调用该函数
int (*getattr) (struct vfsmount *, struct dentry *, struct kstat *);
//被VFS调用，向dentry指定的文件设置扩展属性
int (*setxattr) (struct dentry *, const char *, const void *, size_t, int);
//被VFS调用，拷贝给定文件的扩展属性name对应的数值
ssize_t (*getxattr) (struct dentry *, const char *, void *, size_t);
//该函数将特定文件所有属性列表拷贝到一个缓冲列表中
ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
//该函数从给定文件中删除指定的属性
int (*removexattr) (struct dentry *, const char *);
};
文件
struct file {
union {
struct llist_node fu_llist;
struct rcu_head fu_rcuhead;
} f_u;
struct path f_path; //文件路径
struct inode *f_inode; //文件对应的inode
const struct file_operations *f_op;//文件函数集合
spinlock_t f_lock; //自旋锁
enum rw_hint f_write_hint;
atomic_long_t f_count;//文件对象计数据。
unsigned int f_flags;//文件标志
fmode_t f_mode;//文件权限
struct mutex f_pos_lock;//文件读写位置锁
loff_t f_pos;//进程读写文件的当前位置
u64 f_version;//文件版本
void *private_data;//私有数据
} __randomize_layout
关系
文件操作
打开
读写
关闭
主要了解了linux中的文件系统，需要学习的东西还有很多
注：本节于2022年5月13日结束
手写操作系统目录
吾心信其可行，
则移山填海之难，
终有成功之日！
——孙文
则移山填海之难，
终有成功之日！
——孙文
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