Linux的虚拟文件系统VFS

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mb5fcdf3205bda3 2020-12-09 12:45:06 ©著作权

文章标签 java 文章分类 Java 后端开发

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没想到Virtual File System VFS还是比较受欢迎的，所以今天详细写一下这一部分。

VFS是一个抽象层，对不同文件系统的实现屏蔽，对上提供统一的接口。

这张图是Linux内核中对于VFS相关数据结构的描述。

每一个进程在内核中，都对应一个task_struct结构

include/linux/sched.h中有

struct task_struct {
	/* Open file information: */
	struct files_struct		*files;

从注释就可以看出是对所有打开的文件的一个结构。

struct files_struct {
       struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];

这里面有一个数据，保存了打开的所有文件，每个文件有一个文件描述符File Desicriptor FD，其中默认开启的有stdin, stdout, stderr，分别为0，1，2。

所以在命令行执行一个后台命令的时候常这样用：

nohup run_command.sh > run.log 2>&1 &

也即我们把stderr和并到stdout里面，全部输出到文件run.log里面。

整个系统所有打开的文件保存在同一个链表中的，当一个文件被打开多次的时候，f_count记录被打开的次数，一般的文件系统不保护文件被多个进程写入，需要进程之间通过同步机制做这件事情。一旦一个文件被多个进程打开，如果在命令行删除文件之后，文件可能不可见了，但是不会被删除，已经打开的进程仍然可以读写文件，直到引用为0。

struct file {
	union {
		struct llist_node	fu_llist;
		struct rcu_head 	fu_rcuhead;
	} f_u;
	struct path		f_path;
	struct inode		*f_inode;	/* cached value */
	const struct file_operations	*f_op;
	spinlock_t		f_lock;
	atomic_long_t		f_count;
	unsigned int 		f_flags;
	fmode_t			f_mode;
	struct mutex		f_pos_lock;
	loff_t			f_pos;
	struct fown_struct	f_owner;

其中path为

struct path {
	struct vfsmount *mnt;
	struct dentry *dentry;
};

这里dentry称为directory cache，顾名思义是一个缓存，为了查询快的，从系统启动开始，所有被引用过的文件，都会在这里缓存一下，在dentry结构里面有hashlist，可以方便通过文件或者路径名进行查找，有lru list，可以不断的淘汰。

这里vfsmount，称为mount list，每个被mount的linux文件系统，都会对应一项。对于被Mount的文件系统的跟路径和mount point的路径，各对应一个dentry。

如图是dentry和vfsmount的对应关系，对于左上角的图。

对于操作系统的根路径/对应一个dentry和一个vfsmount，还有一个file结构指向dentry和vfsmount。

home路径是一个mount point，因而对应两个dentry，一个表示上面这个文件系统的mount point，一个表示下面这个文件系统的root directory。有一个vfsmount对应于home路径，parent指向/对应的vfsmount。有一个file结构指向root directory的dentry和vfsmount。

project路径也是一个mount point，也对应两个dentry，有一个vfsmount，并且parent指向home对应的vfsmount。有一个file结构指向root directory的dentry和vfsmount。

对于普通的文件或者路径data和guide，各有一个dentry对应，各有一个file指向相应的dentry，vfsmount都指向project的vfsmount。

在file这个结构中，最本质的是struct inode *f_inode，了解文件系统结构的同学知道，每个文件都有一个inode保存信息。

如图所示，文件系统会有SuperBlock，还有Inode BitMap，通过Inode的一个ID号，可以在Inode Table里面找到对应的inode。

Inode里面保存的是这个文件的数据保存在了哪些block中。

内核内存中的inode是硬盘上inode的一个缓存。

struct inode {
	umode_t			i_mode;
	unsigned short		i_opflags;
	kuid_t			i_uid;
	kgid_t			i_gid;
	unsigned int		i_flags;
	const struct inode_operations	*i_op;
	struct super_block	*i_sb;
	struct address_space	*i_mapping;
	/* Stat data, not accessed from path walking */
	unsigned long		i_ino;
	dev_t			i_rdev;
	loff_t			i_size;
	struct timespec		i_atime;
	struct timespec		i_mtime;
	struct timespec		i_ctime;
	spinlock_t		i_lock;	/* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
	unsigned short          i_bytes;
	unsigned int		i_blkbits;
	blkcnt_t		i_blocks;
	const struct file_operations	*i_fop;

其中inode_operation是对inode可以执行的操作，file_operation是对文件可以执行的操作，对于不同的文件系统，这两个结构是不同的。

对于NFS来讲，有下面的文件系统类型

struct file_system_type nfs_fs_type = {
	.owner		= THIS_MODULE,
	.name		= "nfs",
	.mount		= nfs_fs_mount,
	.kill_sb	= nfs_kill_super,
	.fs_flags	= FS_RENAME_DOES_D_MOVE|FS_BINARY_MOUNTDATA,
};

需要注册文件系统给VFS

ret = register_filesystem(&nfs_fs_type);

ret = register_nfs4_fs();

当应用层调用系统调用Mount的时候，会在内核里面调用

long do_mount(const char *dev_name, const char __user *dir_name,
		const char *type_page, unsigned long flags, void *data_page)

最终会调用

struct vfsmount *
vfs_kern_mount(struct file_system_type *type, int flags, const char *name, void *data)
{
	struct mount *mnt;
	struct dentry *root;
	mnt = alloc_vfsmnt(name);
	root = mount_fs(type, flags, name, data);
	mnt->mnt.mnt_root = root;
	mnt->mnt.mnt_sb = root->d_sb;
	mnt->mnt_mountpoint = mnt->mnt.mnt_root;
	mnt->mnt_parent = mnt;
	lock_mount_hash();
	list_add_tail(&mnt->mnt_instance, &root->d_sb->s_mounts);
	unlock_mount_hash();
	return &mnt->mnt;
}

其中

struct dentry *
mount_fs(struct file_system_type *type, int flags, const char *name, void *data)
{
	struct dentry *root;
	struct super_block *sb;
	root = type->mount(type, flags, name, data);

到这里会调用NFS这个具体的文件系统的函数

struct dentry *nfs_fs_mount(struct file_system_type *fs_type,
	int flags, const char *dev_name, void *raw_data)

里面重要的两步如下：

nfs_mod = get_nfs_version(mount_info.parsed->version);
mntroot = nfs_mod->rpc_ops->try_mount(flags, dev_name, &mount_info, nfs_mod);

已经开始调用rpc层了。

struct dentry *nfs_try_mount(int flags, const char *dev_name,
			     struct nfs_mount_info *mount_info,
			     struct nfs_subversion *nfs_mod)

会调用

struct nfs_server *nfs3_create_server(struct nfs_mount_info *mount_info,
				      struct nfs_subversion *nfs_mod)
{
	struct nfs_server *server = nfs_create_server(mount_info, nfs_mod);
	/* Create a client RPC handle for the NFS v3 ACL management interface */
	if (!IS_ERR(server))
		nfs_init_server_aclclient(server);
	return server;
}

最终会创建RPC的Client，进行相互通信。

error = nfs_init_server_rpcclient(server, &timeparms, data->selected_flavor);