如何去自制文件系統(tǒng)？開(kāi)發(fā)文件系統(tǒng)為什么難？

我們這個(gè)自制文件系統(tǒng)，就是想從形意結(jié)合，讓讀者朋友能夠跟隨著筆者一起經(jīng)歷一次文件系統(tǒng)由 0 到 1 的過(guò)程，構(gòu)建好知識(shí)框架，后續(xù)的深造將會(huì)得心應(yīng)手。

好，話不多說(shuō)，我們先從什么是文件系統(tǒng)講起，簡(jiǎn)單介紹一些探索文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)。

1 查看現(xiàn)有文件系統(tǒng)實(shí)例

Linux 文件系統(tǒng)相比大家都使用過(guò)。大家在自己的 Linux 上機(jī)器上執(zhí)行 mount 命令就能看到當(dāng)前系統(tǒng)上掛載的所有文件系統(tǒng)：

mount

示例如下：

root@localhost：~# mount

sysfs on /sys type sysfs （rw，nosuid，nodev，noexec，relatime，seclabel）

proc on /proc type proc （rw，nosuid，nodev，noexec，relatime）

/dev/mapper/cl-root on / type xfs （rw，relatime，seclabel，attr2，inode64，noquota）

。。。。

比如通過(guò)這一行信息我們能看出來(lái)：

sysfs on /sys type sysfs （ro，nosuid，nodev，noexec，relatime）

信息拆解分析：

sysfs：文件系統(tǒng)名稱；

/sys ：文件系統(tǒng)目錄掛載點(diǎn)；

sysfs：文件系統(tǒng)類(lèi)型

（ro，nosuid，nodev，noexec，relatime）：掛載參數(shù)

這里蘊(yùn)含的重要信息：

同一個(gè)文件系統(tǒng)類(lèi)型可以創(chuàng)建多個(gè)實(shí)例，掛載在不同的掛載點(diǎn)，就跟面向?qū)ο罄锏念?lèi)和實(shí)例的關(guān)系；

掛載點(diǎn)必須是目錄；

其實(shí)，mount 這個(gè)命令很強(qiáng)大，不僅能 list 所有的文件系統(tǒng)，還能掛載文件系統(tǒng)。如下：

掛載文件系統(tǒng)命令：

# 把已經(jīng)格式化好的 /dev/sdb1 盤(pán)掛到 /mnt 目錄上

mount -t ext4 /dev/sdb1 /mnt/

對(duì)應(yīng)卸載文件系統(tǒng)命令：

# 卸載 /mnt 的掛載點(diǎn)

umount /mnt

2 查看目錄掛載的文件系統(tǒng)用量

mount 命令能看到所有的掛載列表，但是如果你想要看到所有文件系統(tǒng)的使用情況，則需要另一個(gè)命令：df。df 命令用來(lái)查看當(dāng)前操作系統(tǒng)掛載的文件系統(tǒng)和使用情況：

df -Tha

-T 參數(shù)能夠讓你看到所有的文件系統(tǒng)實(shí)例的類(lèi)型；

-h 參數(shù)能夠以更符合人類(lèi)的友好的形式展示數(shù)據(jù)；

-a 參數(shù)展示所有的文件系統(tǒng)，包括 0 Blocks 的文件系統(tǒng)（默認(rèn)是會(huì)過(guò)濾掉的）；

示例如下：

root@localhost：~# df -ahT

Filesystem Type Size Used Avail Use% Mounted on

sysfs sysfs 0 0 0 - /sys

proc proc 0 0 0 - /proc

/dev/mapper/cl-root xfs 17G 11G 7.0G 60% /

。。。

注意，如果 df 沒(méi)有加 -a 參數(shù)，類(lèi)似于上面 sysfs，proc 這種用量 0 的會(huì)被過(guò)濾掉。這也是 mount 和 df 兩個(gè)命令默認(rèn)顯式信息的區(qū)別。

3 查看文件系統(tǒng)掛載配置

文件系統(tǒng)掛載可以通過(guò) mount 命令直接掛載，但是 mount 命令掛載并沒(méi)有持久化，關(guān)機(jī)重啟就沒(méi)了。所以想要關(guān)機(jī)重啟之后，還能自動(dòng)掛載到指定目錄，那么就要把掛載規(guī)則寫(xiě)到 /etc/fstab 文件中，fstab 就是 fs table 的縮寫(xiě)，很容易理解。

操作系統(tǒng)在啟動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)解析這個(gè)文件，并按照這個(gè)文件里的配置，自動(dòng)掛載文件系統(tǒng)了。

如下：

root@localhost：~# cat /etc/fstab

/dev/mapper/cl-root / xfs defaults 0 0

UUID=600e3771-af4a-48ca-a557-02204c9a48a5 /boot ext4 defaults 1 2

/dev/mapper/cl-swap swap swap defaults 0 0

fstab 的文件格式：

《設(shè)備標(biāo)識(shí)》 《掛載目錄》 《文件系統(tǒng)類(lèi)型》 《掛載參數(shù)》 《dump選項(xiàng)》 《fsck選項(xiàng)》

從左到右參數(shù)拆解：

設(shè)備標(biāo)識(shí)：能夠標(biāo)識(shí)到唯一的文件系統(tǒng)所在的設(shè)備，這里可以是設(shè)備路徑，也可以是 LABEL，或者 UUID；

掛載目錄：文件系統(tǒng)掛載的目錄點(diǎn)；

文件系統(tǒng)類(lèi)型：比如 ext4，ext2，xfs 之類(lèi)的；

掛載參數(shù)：可以填 defaults，也可以精細(xì)化配置，比如只讀還是可寫(xiě)（rw/ro），同步刷盤(pán)還是異步（async/sync），等等；

dump選項(xiàng)：讓你能控制文件系統(tǒng)備份的頻率，0 表示不備份；

fsck選項(xiàng)：讓你控制是否開(kāi)機(jī)用 fsck 自檢，0 表示不要；

4 查看內(nèi)核支持的文件系統(tǒng)

這個(gè)直接去看內(nèi)核模塊即可：

ls /lib/modules/${kernel_version}/kernel/fs/

不同的 Linux 發(fā)行版略有不同，比如，centos 一般為：

ls -l /lib/modules/4.18.0-80.el8.x86_64/kernel/fs/

ubuntu 一般為：

ls -l /lib/modules/4.4.0-142-generic/kernel/fs/

在對(duì)應(yīng)的目錄找到對(duì)應(yīng)的 .ko 模塊，比如 ext4.ko ，如果想看內(nèi)核已經(jīng)加載的內(nèi)核模塊，可以調(diào)用 lsmod 看到。

簡(jiǎn)單普及一下 .ko 模塊的知識(shí)：

ko 其實(shí)是 kernel object 的縮寫(xiě)，這類(lèi)文件存在的意義其實(shí)和用戶態(tài)的 .so 庫(kù)類(lèi)似，都是為了模塊化的編程實(shí)踐。內(nèi)核把核心主干框架之外的功能拆解成模塊，需要的時(shí)候就加載 ko 模塊，不需要的時(shí)候卸載即可。這樣帶來(lái)的好處就是方便開(kāi)發(fā)和使用，保持內(nèi)核的核心代碼極度精煉。

類(lèi)似于文件系統(tǒng)，硬件驅(qū)動(dòng)等等，都是以這種形式來(lái)加載使用的。

開(kāi)發(fā)文件系統(tǒng)為什么難？

為什么文件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)大家會(huì)覺(jué)得非常難？原因其實(shí)不在于實(shí)現(xiàn)，而在于調(diào)試和排障，因?yàn)樵缙谖募到y(tǒng)的開(kāi)發(fā)只能在內(nèi)核之中，這個(gè)帶來(lái)了非常高的門(mén)檻。

1 內(nèi)核文件系統(tǒng)

因?yàn)樵诖酥拔覀兛吹搅宋募到y(tǒng)是位于內(nèi)核之中， vfs 之下，塊存儲(chǔ)模塊之上的一個(gè)位置。對(duì)外呈現(xiàn)文件存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)，對(duì)下管理裸塊設(shè)備。劃重點(diǎn)，文件系統(tǒng)是位于內(nèi)核的一個(gè)模塊，那就可以理解了，內(nèi)核模塊的開(kāi)發(fā)之所以艱難就是難在調(diào)試和排障，用戶態(tài)的程序你可以隨意 debug，出問(wèn)題最多也就是 panic，coredump，內(nèi)核態(tài)的程序出了文件就是宕機(jī)，所有現(xiàn)場(chǎng)都丟失，你只能通過(guò)日志，kdump 等手段來(lái)排查。并且內(nèi)核態(tài)程序的編寫(xiě)是要注意非常多的規(guī)范的，比如內(nèi)存分配，比用戶態(tài)的要謹(jǐn)慎的多。

那怎么辦？我們本次的目標(biāo)是要自制實(shí)現(xiàn)一個(gè)極簡(jiǎn)的文件系統(tǒng)，但總不能帶大家趟一次內(nèi)核開(kāi)發(fā)的坑吧！那可是要嚇退 99% 的小伙伴。

有辦法的，內(nèi)核開(kāi)發(fā)者考慮到了這個(gè)問(wèn)題，又考慮到文件系統(tǒng)的需求是千變?nèi)f化的，所以提供了一種手段，把 IO 路徑導(dǎo)向用戶態(tài)，由用戶態(tài)程序捕獲到 IO ，從而實(shí)現(xiàn)文件的存儲(chǔ)，這個(gè)機(jī)制就叫 FUSE 機(jī)制。

2 FUSE 文件系統(tǒng)

作為自制 FS 系列第一篇，我們不講 FUSE 的實(shí)現(xiàn)，而是通過(guò)一個(gè)動(dòng)畫(huà)來(lái)演示 IO 的旅途：

這里的路徑做了一些簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化了用戶態(tài)之上的邏輯處理，為什么路徑是這樣子？什么是 FUSE ？下篇專(zhuān)題解釋。

總結(jié)

本篇文章是為后續(xù)鋪墊一些基礎(chǔ)知識(shí)，從形的方面，系統(tǒng)介紹了一些命令，告訴你文件系統(tǒng)怎么配置，怎么掛載，怎么查看，怎么獲取到使用詳情。這些基礎(chǔ)知識(shí)在后面自制文件系統(tǒng)的時(shí)候，都要用上。這些 Linux 命令都是幫助我們從文件系統(tǒng)的外圍去用，去摸，去嗅，從而再去深入理解。

我們目標(biāo)不止如此，我們是要親手做一個(gè)文件系統(tǒng)，動(dòng)手做過(guò)一遍的東西，你對(duì)它理解也將會(huì)突飛猛進(jìn)，更加深刻。

下面總結(jié)一下上面的基礎(chǔ)以上的知識(shí)：

mount 用來(lái)列舉查看當(dāng)前所有文件系統(tǒng)實(shí)例，也能支持掛載命令（但 mount 掛載不會(huì)持久化，重啟就沒(méi)了），umount 用來(lái)卸載；

/etc/fstab 是用來(lái)配置文件系統(tǒng)掛載規(guī)則的，是持久化的配置，重啟不丟；

df -aTh 用來(lái)查看每個(gè)文件系統(tǒng)掛載目錄的詳情，包括空間使用量，總量，掛載點(diǎn)等信息；

內(nèi)核模塊的功能以 ko 文件的形式體現(xiàn)，在 /lib/modules/${kernel_version}/kernel/fs/ 目錄可以看到支持的內(nèi)核文件系統(tǒng)模塊，lsmod 命令可以看到已經(jīng)加載的內(nèi)核模塊；

文件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)之所以難？是因?yàn)橹霸趦?nèi)核中開(kāi)發(fā)，內(nèi)核開(kāi)發(fā)最難的在于調(diào)試和排障手段不方便。那文件系統(tǒng)還有出路嗎？有，奇伢帶你自制一個(gè)極簡(jiǎn)的文件系統(tǒng)，基于 Linux 系統(tǒng)使用純 Go 語(yǔ)言來(lái)做哦，敬請(qǐng)期待后續(xù)，自己動(dòng)手，理解更深。

責(zé)任編輯：lq6