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探索Linux文件系统实现的关键问题：24小时内掌握Linux内核

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479 2024-02-22

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] 24小时学通Linux内核之有关Linux文件系统实现的问题

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。

24小时学通Linux内核之有关Linux文件系统实现的问题

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：

24小时学通Linux内核之有关Linux文件系统实现的问题

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：

24小时学通Linux内核之有关Linux文件系统实现的问题

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’’）是 14，而我们想在当前目录下创建文件名长度超过 14 字节的文件，早期的 System V 系统（如 SVR2）会截断超出部分，只保留前 14 个字节；而由 BSD 衍生的（BSD-derived）系统会返回错误信息，并且把 errno 置为 ENAMETOOLONG。

    POSIX.1 引入常量 _POSIX_NO_TRUNC 用于决定是否截断长文件名/长路径名。如果_POSIX_NO_TRUNC 设定为禁止截断，并且路径名长度超过 PATH_MAX（包括 ‘’），或者组成路径名的任意文件名长度超过 NAME_MAX，则返回错误信息，并且把 errno 置为 ENAMETOOLONG。

close()函数

进程使用完文件后，发出close()系统调用：

sysopsis

#include 
int close(int fd);

参数：fd文件描述符

函数返回值：0成功，-1出错

参数fd是要关闭的文件描述符。需要说明的是：当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。但是对于一个长年累月运行的程序（比如网络服务器），打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。

read()函数

当用户级别程序调用read()函数时，Linux把它转换成系统调sys_read()：

功能描述：从文件读取数据。
所需头文件： #include

函数原型：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

参数：

  • fd： 将要读取数据的文件描述词。

  • buf：指缓冲区，即读取的数据会被放到这个缓冲区中去。

  • count：表示调用一次read操作，应该读多少数量的字符。

  • 返回值：返回所读取的字节数；0（读到EOF）；-1（出错）。

  • 以下几种情况会导致读取到的字节数小于 count ：

  • 读取普通文件时，读到文件末尾还不够 count 字节。例：如果文件只有 30 字节，而我们想读取 100，字节，那么实际读到的只有 30 字节， 函数返回 30 。此时再使用 read 函数作用于这个文件会导致 read 返回 0

  • 从终端设备（terminal device）读取时，一般情况下每次只能读取一行。

  • 从网络读取时，网络缓存可能导致读取的字节数小于 count字节。

  • 读取 pipe 或者 FIFO 时，pipe 或 FIFO 里的字节数可能小于 count 。

  • 从面向记录（record-oriented）的设备读取时，某些面向记录的设备（如磁带）每次最多只能返回一个记录。

  • 在读取了部分数据时被信号中断，读操作始于 cfo 。在成功返回之前，cfo 增加，增量为实际读取到的字节数。

    例程如下(程序是网上找的例子，贴下来以以供大家理解一下):：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(void)
{
    void* buf ;
    int handle;
    int bytes ;
    buf=malloc(10);
    /*
    LooksforafileinthecurrentdirectorynamedTEST.$$$andattempts
    toread10bytesfromit.Tousethisexampleyoushouldcreatethe
    fileTEST.$$$
    */
    handle=open("TEST.$$$",O_RDONLY|O_BINARY,S_IWRITE|S_IREAD);
    if(handle==-1)
    {
        printf("ErrorOpeningFilen");
        exit(1);
    }
    bytes=read(handle,buf,10);
    if(bytes==-1)
    {
        printf("ReadFailed.n");
        exit(1);
    }
    else 
    {
        printf("Read:%dbytesread.n",bytes);
    }
    return0 ;
}

write()函数

功能描述：向文件写入数据。
所需头文件： #include

函数原型：ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count);

返回值：写入文件的字节数（成功）；-1（出错）

功能：write 函数向 filedes 中写入 count 字节数据，数据来源为 buf 。返回值一般总是等于 count，否则就是出错了。常见的出错原因是磁盘空间满了或者超过了文件大小限制。对于普通文件，写操作始于 cfo 。如果打开文件时使用了 O_APPEND，则每次写操作都将数据写入文件末尾。成功写入后，cfo 增加，增量为实际写入的字节数。

例程如下(程序是网上找的例子，贴下来以以供大家理解一下):

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
int main(void)
{
int *handle; char string[40];
int length, res;/* Create a file named "TEST.$$$" in the current directory and write a string to it. If "TEST.$$$" already exists, it will be overwritten. */
if ((handle = open("TEST.$$$", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IREAD | S_IWRITE)) == -1)
{
printf("Error opening file.n");
exit(1);
}
strcpy(string, "Hello, world!n");
length = strlen(string);
if ((res = write(handle, string, length)) != length)
{
printf("Error writing to the file.n");
exit(1);
}
printf("Wrote %d bytes to the file.n", res);
close(handle); return 0; }

小结

今天看的代码不多，差不多都是网上找的代码，有些解释也是查阅资料写上去的，有些还是不懂，希望各路大神指教，这里我总结了有关Linux文件系统实现的问题，但是具体的细节方面并没有提及到，大家看了之后应该只能有一个大致的最Linux文件系统的了解，有读者问我看的是哪些书，这里我说明一下，看了Linux内核编程，还有深入理解Linux内核以及网上各种资料或者其他大牛写的好的博客。这里我是总结了一下，并且把自己不懂的还有觉得重要的说了一下，希望各位大神给些建议，thanks~

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