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Linux 文件系统剖析2

Linux 文件系统剖析2

用户空间包含一些应用程序(例如,文件系统的使用者)和 GNU C 库(glibc),它们为文件系统调用(打开、读取、写和关闭)提供用户接口。系统调用接口的作用就像是交换器,它将系统调用从用户空间发送到内核空间中的适当端点。
VFS 是底层文件系统的主要接口。这个组件导出一组接口,然后将它们抽象到各个文件系统,各个文件系统的行为可能差异很大。有两个针对文件系统对象的缓存(inode 和 dentry)。它们缓存最近使用过的文件系统对象。
每个文件系统实现(比如 ext2、JFS 等等)导出一组通用接口,供 VFS 使用。缓冲区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。例如,对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递。这就允许在其中缓存请求,减少访问物理设备的次数,加快访问速度。以最近使用(LRU)列表的形式管理缓冲区缓存。注意,可以使用 sync 命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体(迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序,进而发送到存储设备)。
什么是块设备?块设备就是以块(比如磁盘扇区)为单位收发数据的设备,它们支持缓冲和随机访问(不必顺序读取块,而是可以在任何时候访问任何块)等特性。块设备包括硬盘、CD-ROM 和 RAM 盘。与块设备相对的是字符设备,字符设备没有可以进行物理寻址的媒体。字符设备包括串行端口和磁带设备,只能逐字符地读取这些设备中的数据。

这就是 VFS 和文件系统组件的高层情况。现在,讨论实现这个子系统的主要结构。
主要结构
Linux 以一组通用对象的角度看待所有文件系统。这些对象是超级块(superblock)、inode、dentry 和文件。超级块在每个文件系统的根上,超级块描述和维护文件系统的状态。文件系统中管理的每个对象(文件或目录)在 Linux 中表示为一个 inode。inode 包含管理文件系统中的对象所需的所有元数据(包括可以在对象上执行的操作)。另一组结构称为 dentry,它们用来实现名称和 inode 之间的映射,有一个目录缓存用来保存最近使用的 dentry。dentry 还维护目录和文件之间的关系,从而支持在文件系统中移动。最后,VFS 文件表示一个打开的文件(保存打开的文件的状态,比如写偏移量等等)。
虚拟文件系统层
VFS 作为文件系统接口的根层。VFS 记录当前支持的文件系统以及当前挂装的文件系统。
可以使用一组注册函数在 Linux 中动态地添加或删除文件系统。内核保存当前支持的文件系统的列表,可以通过 /proc 文件系统在用户空间中查看这个列表。这个虚拟文件还显示当前与这些文件系统相关联的设备。在 Linux 中添加新文件系统的方法是调用 register_filesystem。这个函数的参数定义一个文件系统结构(file_system_type)的引用,这个结构定义文件系统的名称、一组属性和两个超级块函数。也可以注销文件系统。
在注册新的文件系统时,会把这个文件系统和它的相关信息添加到 file_systems 列表中(见图 2 和 linux/include/linux/mount.h)。这个列表定义可以支持的文件系统。在命令行上输入 cat /proc/filesystems,就可以查看这个列表。

图 2. 向内核注册的文件系统


VFS 中维护的另一个结构是挂装的文件系统(见图 3)。这个结构提供当前挂装的文件系统(见 linux/include/linux/fs.h)。它链接下面讨论的超级块结构。

图 3. 挂装的文件系统列表


超级块
超级块结构表示一个文件系统。它包含管理文件系统所需的信息,包括文件系统名称(比如 ext2)、文件系统的大小和状态、块设备的引用和元数据信息(比如空闲列表等等)。超级块通常存储在存储媒体上,但是如果超级块不存在,也可以实时创建它。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到超级块结构(见图 4)。

图 4. 超级块结构和 inode 操作


超级块中的一个重要元素是超级块操作的定义。这个结构定义一组用来管理这个文件系统中的 inode 的函数。例如,可以用 alloc_inode 分配 inode,用 destroy_inode 删除 inode。可以用 read_inodewrite_inode 读写 inode,用 sync_fs 执行文件系统同步。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到 super_operations 结构。每个文件系统提供自己的 inode 方法,这些方法实现操作并向 VFS 层提供通用的抽象。
inode 和 dentry
inode 表示文件系统中的一个对象,它具有惟一标识符。各个文件系统提供将文件名映射为惟一 inode 标识符和 inode 引用的方法。图 5 显示 inode 结构的一部分以及两个相关结构。请特别注意 inode_operationsfile_operations。这些结构表示可以在这个 inode 上执行的操作。inode_operations 定义直接在 inode 上执行的操作,而 file_operations 定义与文件和目录相关的方法(标准系统调用)。

图 5. inode 结构和相关联的操作


inode 和目录缓存分别保存最近使用的 inode 和 dentry。注意,对于 inode 缓存中的每个 inode,在目录缓存中都有一个对应的 dentry。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到 inodedentry 结构。
缓冲区缓存
除了各个文件系统实现(可以在 ./linux/fs 中找到)之外,文件系统层的底部是缓冲区缓存。这个组件跟踪来自文件系统实现和物理设备(通过设备驱动程序)的读写请求。为了提高效率,Linux 对请求进行缓存,避免将所有请求发送到物理设备。缓存中缓存最近使用的缓冲区(页面),这些缓冲区可以快速提供给各个文件系统。

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有趣的文件系统
本文没有讨论 Linux 中可用的具体文件系统,但是值得在这里稍微提一下。Linux 支持许多种文件系统,包括 MINIX、MS-DOS 和 ext2 等老式文件系统。Linux 还支持 ext3、JFS 和 ReiserFS 等新的日志型文件系统。另外,Linux 支持加密文件系统(比如 CFS)和虚拟文件系统(比如 /proc)。
最后一种值得注意的文件系统是 Filesystem in Userspace(FUSE)。这种文件系统可以将文件系统请求通过 VFS 发送回用户空间。所以,如果您有兴趣创建自己的文件系统,那么通过使用 FUSE 进行开发是一种不错的方法。
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