深入剖析Linux文件系统的架构

一切都是文件： VFS

文件系统的设计，类似 抽象基类，面向对象的思想。

虚函数都必须由底层派生出的实例实现，使用成员函数 file_operations。在linux里面的文件操作，底层都要实现file_operations，抽象出owner，write，open，release。所以，无论是字符块，还是文件系统的文件，最终操作就必须是file_operations。

例如，实现一个字符设备驱动，就是去实现file_operations。VFS_read时就会调用字符设备的file_operations。

字符设备文件、块设备文件

块设备的两种访问方法，一是访问裸分区，二是访问文件系统。

当直接访问裸分区，是通过fs/block_dev.c 中的 file_operations def_blk_fops，也有read,write,open，一切继承到file_operations。如果是访问文件系统，就会通过实现 {ext4}_file_operations 来对接VFS对文件的操作。

块设备驱动就不需要知道file_operations，无论是裸设备，还是文件系统的file。他们实现的file_operations是把linux中的各种设备，hook进 VFS的方法。

文件最终如何转化成对磁盘的访问？

file_operation 跟pagecache 以及硬盘的关系？

 

整个文件系统里，除了放文件本身的数据，还包括文件的管理数据，包括：

• super block，保存在全局的 superblock结构中。
• inode，是文件的唯一特定标识，文件系统使用bitmap来标识，inode是否使用。
• block bitmap，来表示这些block是否占用，它在改变文件大小，创建删除等操作时，都会改变。
• inode table/diagram ： bitmap 只是表示inode和block是否被占用。

超级块、目录、inode

• file_system_type 数据结构： 指的是 文件系统的类型，mount/umount 的时候会用。
• superblock数据结构：包含super_operations，其中包含如何分配/销毁一个inode。
• inode 数据结构：包含 inode_operations 和 file_operations。

file_operations里面记录这种类型的文件，包含哪些操作。 inode_operations里面包含如何生成新的inode，根据文件名字找到inode，如何mkdir,unlink.

• dentry 数据结构: 对应路径，目录在文件系统里面是一个特殊的文件，文件的内容是一个inode和文件的表格。
• file 数据结构:

 

• inode表：包含文件的一些基本信息，大小，创建日期，属性。还有一些成员指向硬盘所在的位置。 申请slab区域，比如 ext4_inode_cache , ext3_inode_cache. 这些cache会创建单独的slab，这些slab和内存里的page一一对应。

ext2/ext4文件系统中存在间接映射表。

 

硬盘里的inode diagram里的数据结构，在内存中会通过slab分配器，组织成 xxx_inode_cache，出现在meminfo的可回收的内存。 inode表也会记录每一个inode 在硬盘中摆放的位置。

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目录的组织

 

目录在硬盘里是一个特殊的文件，和之前的file结构体不同。目录在硬盘中对应一个inode，记录文件的名字和inode号。查找一个文件时，文件系统的 根inode和目录，根据根目录和根inode，找到根目录所在硬盘的位置。再去做字符串匹配，就能够找到 /A/B/ 。inode表也会记录每一个inode 在硬盘中摆放的位置。

icache和dcache，slab shrink

文件系统在实现时，在vfs这一层的 inode cache 和 dentry cache，不管硬盘的系统，还是所有文件系统的通用信息。

针对这些cache，这些可以回收的slab，linux提供了专门的slab shrink- 收缩函数。
最后所有可回收的内存，都必须通过LRU算法去回收。
有些自己申请的 reclaim的内存，由于没有写 shrink函数，所以就无法进行内存的回收。

文件读写如何通过file_operation 和pagecache的关系

 

发现并读取/usr/bin/xxx的全流程

如上图，当你在硬盘上查找 /usr/bin/emacs文件时，从根的inode和dentry，根据/的inode表，找到/ 目录文件所在的硬盘中的位置，读硬盘/目录文件的内容，发现 usr 对应inode 2, bin 对应inode 3, share 对应inode4。再去查inode表，inode 2所在硬盘的位置，即/usr 目录文件所在硬盘的位置。读出内容包括 var 对应 inode 10, bin 对应inode 11, opt对应inode 12，。

这个过程会查找很多inode和 dentry，这些都会通过 icache 和dcache缓存。

符号链接 与 硬链接

文件名是特殊目录文件的内容，比如 A目录下有b\c\d，其实就是 A这个目录文件，里面对应目录b,c,d和对应inode的表。

硬链接：在硬盘中是同一个inode存在，在目录文件中多了一个目录和inode对应。

符号链接：是linux中是真实存在的实体文件，文件内容指向 其他文件。符号链接和文件是不同的inode。

1、硬链接不能跨本地文件系统
2、硬链接不能针对目录
3、针对目录的软链接，用rm -fr 删除不了目录里的内容
4、针对目录的软链接，"cd .."进的是软链接所在目录的上级目录
5、可以对文件执行unlink或rm，但是不能对目录执行unlink

用户空间的文件系统： FUSE

用户空间文件系统 是操作系统中的概念，指完全在用户态实现的文件系统。

目前Linux通过内核模块对此进行支持。一些文件系统如ZFS，glusterfs使用FUSE实现。

FUSE的工作原理如上图所示。假设基于FUSE的用户态文件系统hello挂载在/tmp/fuse目录下。当应用层程序要访问/tmp/fuse下的文件时，通过glibc中的函数进行系统调用，处理这些系统调用的VFS中的函数会调用FUSE在内核中的文件系统；内核中的FUSE文件系统将用户的请求，发送给用户态文件系统hello；用户态文件系统收到请求后，进行处理，将结果返回给内核中的FUSE文件系统；最后，内核中的FUSE文件系统将数据返回给用户态程序。

审核编辑：汤梓红