Linux文件系统学习（未完）

1. Linux文件系统的特点与类别

1.1 特点

Linux系统中，文件组织在一个统一的树形目录结构中，整个文件系统有一个根“/”（文件夹），然后以每个目录（文件夹）作为分叉，叶子节点作为文件，如下图所示：
Linux典型文件结构
简单介绍一下：
/：所有文件的根目录
/bin：存放常用用户命令
/boot：存放内核系统启动所需文件
/dev：存放设备文件，如声卡文件，磁盘文件等
/etc：存放系统管理和配置文件目录
/home：用户主目录的基点目录，默认情况每个用户主目录都设在该目录下，如默认情况下用户user01 的主目录是/home/user01
/lib：存放标准程序设计库目录，又叫动态链接共享库目录，目录中文件类似windows里的后缀名为 dll的文件
/media：其他文件系统的挂载点
/proc：虚拟目录，是系统内存的映射，可直接访问这个目录来获取系统信息
/root：超级用户主目录
/sbin：系统管理程序
/sys：存放设备相关的系统信息
/usr：最庞大的目录，存放应用程序和文件目录
/tmp：临时文件
/var：存放系统产生的经常变化文件的目录，例如打印机、邮件等假脱机目录、日志文件、格式化后的手册页以及一些应用程序的数据文件等
/usr/games：存放游戏
/usr/src：存放程序源代码
/usr/man：存放帮助文件

一般除了树形结构特点外，还具有如下特点：

文件是无结构的字符流式文件
文件可以动态增长或减少
可以设置权限
外部设备（磁盘，键盘，鼠标），都被看做文件，可以通过文件系统隐蔽掉设备特性

1.2文件类型

Linux文件可以分为6种类型：

普通文件‌：最常见的文件类型，包含文本文件、数据文件等，可以直接读取内容
目录文件‌：用于组织和管理其他文件和子目录，类似于Windows中的文件夹
字符设备文件‌：用于与字符设备（如键盘、鼠标）进行通信
块设备文件‌：用于与块设备（如硬盘、USB存储设备）进行数据交换
符号链接文件‌：类似于Windows中的快捷方式，指向另一个文件或目录
套接字文件‌：用于进程间通信，允许不同进程通过文件系统进行数据交换

2. Linux之虚拟文件系统

2.1 框架

Linux 提供了一种称为“虚拟文件系统”（Virtual File System, 简称 VFS）的软件抽象层，它允许 Linux 支持多种不同类型的文件系统。VFS 在用户空间和各种文件系统之间提供了一个抽象层，使得用户空间可以通过标准的系统调用来访问不同的文件系统，而不需要关心底层文件系统的具体实现细节。

2.1.1主要作用：

‌抽象层‌：VFS为底层具体的文件系统提供了一个抽象层，使得用户程序无需关心文件系统的具体实现。
‌统一接口‌：提供了一套统一的文件操作接口（如read、write、open等），使得应用程序可以使用相同的系统调用来访问不同类型的文件系统。
‌支持多种文件系统‌：VFS支持多种文件系统，包括本地文件系统（如ext4、XFS）、网络文件系统（如NFS）以及特殊文件系统（如procfs、sysfs）

系统调用图

2.1.2 VFS核心的四个数据结构

super_block ：超级块，用于描述具体的文件系统信息
inode：索引节点，用以描述一个文件的元信息，如文件大小、权限、拥有者等，每个文件均对应一个inode
dentry：目录项结构，它的出现就是为了性能，一般在磁盘中是没有对应的结构的
file：文件结构，代表与进程交互过程中被打开的一个文件

2.1.2.1 超级块

一个具体的文件系统，如ext2、ext4等，都会对应一个超级块结构。内核也是通过扫描这个结构的信息来确定文件系统的大致信息，以下为其在内核源码中的部分定义（选自Linux 5.19，后续一样）

struct super_block {struct list_head	s_list;		// 指向超级块链表的指针dev_t			s_dev;		/* 块设备的具体标识号 */unsigned char		s_blocksize_bits;unsigned long		s_blocksize; // 文件系统中的数据块大小loff_t			s_maxbytes;	/* 允许的最大文件的大小 */struct file_system_type	*s_type; // 具体的文件系统类型const struct super_operations	*s_op; // 用于超级块操作的函数集合const struct quotactl_ops	*s_qcop; // 限额操作的函数集合unsigned long		s_flags; // 安装表示unsigned long		s_magic; // 幻数 一般可以用于表示唯一的文件系统struct dentry		*s_root; //根dentrystruct rw_semaphore	s_umount; // 同步读写int			s_count; // 超级块的使用计数atomic_t		s_active;void			*s_fs_info;	/* 文件系统的隐私信息 *//* c/m/atime限制 */time64_t		   s_time_min;time64_t		   s_time_max;unsigned int		s_max_links;fmode_t			s_mode;// 默认的目录项操作集合const struct dentry_operations *s_d_op; /* default d_op for dentries */// 虽然链接数目为0 但仍然被引用atomic_long_t s_remove_count;// 没有被使用的dentry、inode会被加入这个struct list_lru		s_dentry_lru;struct list_lru		s_inode_lru;struct rcu_head		rcu;/* s_inode_list_lock protects s_inodes */spinlock_t		s_inode_list_lock ____cacheline_aligned_in_smp;struct list_head	s_inodes;	/* 所有的索引节点 由前面的锁进行保护 */spinlock_t		s_inode_wblist_lock;struct list_head	s_inodes_wb;	/* writeback inodes */......
} __randomize_layout;

超级块的操作函数集合：

struct super_operations {//给超级块分配索引节点struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); // 销毁索引节点void (*destroy_inode)(struct inode *);// 检查atime的更新情况void (*dirty_inode) (struct inode *, int flags);// 写入一个inode到磁盘中int (*write_inode) (struct inode *, struct writeback_control *wbc);// 删除一个inodeint (*drop_inode) (struct inode *);//在链接数目为0时会进行释放void (*evict_inode) (struct inode *);// 释放超级块所占用的内存void (*put_super) (struct super_block *);......
};

这些集合的函数会由具体的文件系统进行实现，没有实现的会被置为NULL

2.1.2.2 索引节点

Linux中是视一切为文件，一个文件就会有对应的inode，文件包含了常规文件、目录等。在需要时，在磁盘中的inode会被拷贝到内存中，修改完毕后会被写回到磁盘中。一个inode会被指向多个目录项索引（硬链接等）

以下为它在内核中的部分源码定义：

struct inode {umode_t			i_mode; unsigned short		i_opflags;kuid_t			i_uid; // 文件所属的用户kgid_t			i_gid; // 文件所属的组unsigned int		i_flags;const struct inode_operations	*i_op; // 索引节点操作函数集struct super_block	*i_sb; // 文件所在文件系统的超级块struct address_space	*i_mapping;/* Stat data, not accessed from path walking */unsigned long		i_ino; // 索引号/** Filesystems may only read i_nlink directly.  They shall use the* following functions for modification:**    (set|clear|inc|drop)_nlink*    inode_(inc|dec)_link_count*/union {const unsigned int i_nlink; // 链接数目unsigned int __i_nlink;};dev_t			i_rdev; // 文件所在的设备号loff_t			i_size; // 文件大小struct timespec64	i_atime;// 最后的访问时间struct timespec64	i_mtime; // 最后修改时间struct timespec64	i_ctime; // 最后改变时间spinlock_t		i_lock;	/* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */unsigned short          i_bytes; // 使用的字节数/* Misc */unsigned long		i_state;struct rw_semaphore	i_rwsem; // 读写信号量struct hlist_node	i_hash; // 哈希值 负责提高查找效率struct list_head	i_io_list;	/* backing dev IO list */struct list_head	i_lru;		/* inode LRU list  未使用的inode*/struct list_head	i_sb_list; // 链接一个文件系统中的inode链表struct list_head	i_wb_list;	/* backing dev writeback list */union {struct hlist_head	i_dentry; // 所属的目录项struct rcu_head		i_rcu;};atomic64_t		i_version; // 索引节点版本号atomic_t		i_count; // 引用计数atomic_t		i_writecount; // 写计数// 文件操作函数集合union {const struct file_operations	*i_fop;	/* former ->i_op->default_file_ops */void (*free_inode)(struct inode *);};struct address_space	i_data;struct list_head	i_devices;void			*i_private; /* 文件与设备的私有指针 */......
} __randomize_layout;

索引节点的函数操作集合：

struct inode_operations {// 查找指定文件的dentrystruct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, unsigned int);//根据inode所描述的文件类型，如果是目录，则会创建一个inode，不是则不会调用int (*create) (struct user_namespace *, struct inode *,struct dentry *,umode_t, bool);//在指定目录下创建一个子目录int (*mkdir) (struct user_namespace *, struct inode *,struct dentry *,umode_t);//从inode所描述的目录中删除一个子目录时，会被调用int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);......
} ____cacheline_aligned;

2.1.2.3 目录项结构

它的出现主要是为了查找性能，只存在于内存中，而不存在于磁盘中。这提供了一种非常快的查询机制来将一个路径名称（文件名称）转换为特定的目录项对象。

以下为它在内核中的部分源码定义：

struct dentry {/* RCU lookup touched fields */unsigned int d_flags;		/* protected by d_lock */seqcount_spinlock_t d_seq;	/* per dentry seqlock */struct hlist_bl_node d_hash;	/* lookup hash list 哈希列表*/struct dentry *d_parent;	/* parent directory 父目录 */struct qstr d_name; struct inode *d_inode;		/*与目录关联的inode Where the name belongs to - NULL is* negative */unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN];	/* small names *//* Ref lookup also touches following */struct lockref d_lockref;	/* per-dentry lock and refcount */const struct dentry_operations *d_op; // 目录项操作struct super_block *d_sb;	/* 目录项所属文件系统的超级块 The root of the dentry tree */union {struct list_head d_lru;		/* LRU list 未使用目录项以LRU算法链接的链表*/wait_queue_head_t *d_wait;	/* in-lookup ones only */};struct list_head d_child;	/* child of parent list 加入到父目录的d_subdirs */struct list_head d_subdirs;	/* our children 子目录 *//** d_alias and d_rcu can share memory*/union {struct hlist_node d_alias;	/* inode alias list */struct hlist_bl_node d_in_lookup_hash;	/* only for in-lookup ones */struct rcu_head d_rcu;} d_u;
} __randomize_layout;

目录项的函数操作集合：

struct dentry_operations {// 检查当前目录项是否还有效int (*d_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);// 较弱形式的校验int (*d_weak_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);// int (*d_hash)(const struct dentry *, struct qstr *);// 引用计数为0时删除dentry（dput调用）int (*d_delete)(const struct dentry *);// 释放所占有的数据void (*d_release)(struct dentry *);//当dentry失去inode时调用，void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
......
} ____cacheline_aligned;

2.1.2.4 文件结构

当一个进程打开一个文件时，该文件就是用此文件结构进行描述的，如文件的读写模式、读写偏移量、所属inode等信息。这个文件结构会被进程的文件描述符表所存放。

以下为它在内核中的部分源码定义：

struct file {union {struct llist_node	fu_llist; // 文件系统中被打开的文件对象（单个进程所打开的文件会被维护在另一个结构中 files_struct）struct rcu_head 	fu_rcuhead; } f_u;struct path		f_path;struct inode		*f_inode;	/* cached value  被缓存的值 所属的inode吧*/const struct file_operations	*f_op; // 文件操作指针/** Protects f_ep, f_flags.* Must not be taken from IRQ context.*/spinlock_t		f_lock;    // 自旋锁atomic_long_t		f_count; // 引用计数器unsigned int 		f_flags; // 打开文件所引用的标志fmode_t			f_mode;  // 文件的访问模式（r模式等）struct mutex		f_pos_lock;loff_t			f_pos; // 读写偏移量struct fown_struct	f_owner; // 所属者信息u64			f_version; // 版本号/* needed for tty driver, and maybe others */void			*private_data;          //隐私数据struct address_space	*f_mapping;} __randomize_layout__attribute__((aligned(4)));	/* lest something weird decides that 2 is OK */

文件结构的函数操作集合：

struct file_operations {.......// 移动文件指针loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);// 从文件对象中读数据（系统调用中的读最终会被应用于此）ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);// 从文件对象中写数据ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);......
} __randomize_layout;