Linxu系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的掛載方法和應(yīng)用實例

1.開場白

環(huán)境：處理器架構(gòu)：arm64內(nèi)核源碼：linux-5.11ubuntu版本：20.04.1代碼閱讀工具：vim+ctags+cscope

我們知道，Linux系統(tǒng)中我們經(jīng)常將一個塊設(shè)備上的文件系統(tǒng)掛載到某個目錄下才能訪問這個文件系統(tǒng)下的文件，但是你有沒有思考過：為什么塊設(shè)備掛載之后才能訪問文件？掛載文件系統(tǒng)Linux內(nèi)核到底為我們做了哪些事情？是否可以不將文件系統(tǒng)掛載到具體的目錄下也能訪問？下面，本文將詳細講解Linxu系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)掛載的奧秘。

注：本文主要講解文件系統(tǒng)掛載核心邏輯，暫不涉及掛載命名空間和綁定掛載等內(nèi)容（后面的內(nèi)容可能會涉及），且以ext2磁盤文件系統(tǒng)為例講解掛載。本專題文章分為上下兩篇，上篇主要介紹掛載全貌以及具體文件系統(tǒng)的掛載方法，下篇介紹如何通過掛載實例關(guān)聯(lián)掛載點和超級塊。

2. vfs 幾個重要對象

在這里我們不介紹整個IO棧，只說明和文件系統(tǒng)相關(guān)的vfs和具體文件系統(tǒng)層。我們知道在Linux中通過虛擬文件系統(tǒng)層VFS統(tǒng)一所有具體的文件系統(tǒng)，提取所有具體文件系統(tǒng)的共性，屏蔽具體文件系統(tǒng)的差異。VFS既是向下的接口（所有文件系統(tǒng)都必須實現(xiàn)該接口），同時也是向上的接口（用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用最終能夠訪問文件系統(tǒng)功能）。

下面我們來看下，vfs中幾個比較重要的結(jié)構(gòu)體對象：

2.1 file_system_type

這個結(jié)構(gòu)來描述一種文件系統(tǒng)類型，一般具體文件系統(tǒng)會定義這個結(jié)構(gòu)，然后注冊到系統(tǒng)中；定義了具體文件系統(tǒng)的掛載和卸載方法，文件系統(tǒng)掛載時調(diào)用其掛載方法構(gòu)建超級塊、跟dentry等實例。

文件系統(tǒng)分為以下幾種：

1）磁盤文件系統(tǒng)

文件在非易失性存儲介質(zhì)上（如硬盤，flash），掉電文件不丟失。

如ext2，ext4，xfs

2）內(nèi)存文件系統(tǒng)

文件在內(nèi)存上，掉電丟失。

如tmpfs

3）偽文件系統(tǒng)

是假的文件系統(tǒng)，是利用虛擬文件系統(tǒng)的接口（可以對用戶可見如proc、sysfs，也可以對用戶不可見內(nèi)核可見如sockfs，bdev）。

如proc，sysfs，sockfs，bdev

4）網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)

這種文件系統(tǒng)允許訪問另一臺計算機上的數(shù)據(jù)，該計算機通過網(wǎng)絡(luò)連接到本地計算機。

如nfs文件系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h +2226

2.2 super_block

超級塊，用于描述塊設(shè)備上的一個文件系統(tǒng)總體信息（如文件塊大小，最大文件大小，文件系統(tǒng)魔數(shù)等），一個塊設(shè)備上的文件系統(tǒng)可以被掛載多次，但是內(nèi)存中只能有個super_block來描述（至少對于磁盤文件系統(tǒng)來說）。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h +1414

2.3 mount

掛載描述符，用于建立超級塊和掛載點等之間的聯(lián)系，描述文件系統(tǒng)的一次掛載，一個塊設(shè)備上的文件系統(tǒng)可以被掛載多次，每次掛載內(nèi)存中有一個mount對象描述。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：fs/mount.h +39

2.4 inode

索引節(jié)點對象，描述磁盤上的一個文件元數(shù)據(jù)（文件屬性、位置等），有些文件系統(tǒng)需要從塊設(shè)備上讀取磁盤上的索引節(jié)點，然后在內(nèi)存中創(chuàng)建vfs的索引節(jié)點對象，一般在文件第一次打開時創(chuàng)建。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h +610

2.5 dentry

目錄項對象，用于描述文件的層次結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建文件系統(tǒng)的目錄樹，文件系統(tǒng)將目錄當作文件，目錄的數(shù)據(jù)由目錄項組成，而每個目錄項存儲一個目錄或文件的名稱和索引節(jié)點號等內(nèi)容。每當進程訪問一個目錄項就會在內(nèi)存中創(chuàng)建目錄項對象（如ext2路徑名查找中，通過查找父目錄數(shù)據(jù)塊的目錄項，找到對應(yīng)文件/目錄的名稱，獲得inode號來找到對應(yīng)inode）。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/dcache.h +90

2.6 file

文件對象，描述進程打開的文件，當進程打開文件時會創(chuàng)建文件對象加入到進程的文件打開表，通過文件描述符來索引文件對象，后面讀寫等操作都通過文件描述符進行（一個文件可以被多個進程打開，會由多個文件對象加入到各個進程的文件打開表，但是inode只有一個）。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h +915

3. 掛載總體流程

3.1系統(tǒng)調(diào)用處理

用戶執(zhí)行掛載是通過系統(tǒng)調(diào)用路徑進入內(nèi)核處理，拷貝用戶空間傳遞參數(shù)到內(nèi)核，掛載委托do_mount。

//fs/namespace.c

SYSCALL_DEFINE5（mount

參數(shù)：

dev_name 要掛載的塊設(shè)備

dir_name 掛載點目錄

type 文件系統(tǒng)類型名

flags 掛載標志

data 掛載選項

-》 kernel_type = copy_mount_string（type）; //拷貝文件系統(tǒng)類型名到內(nèi)核空間

-》 kernel_dev = copy_mount_string（dev_name） //拷貝塊設(shè)備路徑名到內(nèi)核空間-》 options = copy_mount_options（data） //拷貝掛載選項到內(nèi)核空間

-》 do_mount（kernel_dev， dir_name， kernel_type， flags， options） //掛載委托do_mount

3.2 掛載點路徑查找

掛載點路徑查找，掛載委托path_mount

do_mount

-》 user_path_at（AT_FDCWD， dir_name， LOOKUP_FOLLOW， &path） //掛載點路徑查找 查找掛載點目錄的 vfsmount和dentry 存放在 path

-》 path_mount（dev_name， &path， type_page， flags， data_page） //掛載委托path_mount

3.3 參數(shù)合法性檢查

參數(shù)合法性檢查， 新掛載委托do_new_mount

path_mount

-》 參數(shù)合法性檢查

-》 根據(jù)掛載標志調(diào)用不同函數(shù)處理這里講解是默認 do_new_mount

3.4 調(diào)用具體文件系統(tǒng)掛載方法

do_new_mount

-》 type = get_fs_type（fstype） //根據(jù)傳遞的文件系統(tǒng)名 查找已經(jīng)注冊的文件系統(tǒng)類型

-》 fc = fs_context_for_mount（type， sb_flags） //為掛載分配文件系統(tǒng)上下文 struct fs_context

-》 alloc_fs_context

-》 分配fs_context fc = kzalloc（sizeof（struct fs_context）， GFP_KERNEL）

-》 設(shè)置 。..

-》 fc-》fs_type = get_filesystem（fs_type）; //賦值相應(yīng)的文件系統(tǒng)類型

-》 init_fs_context = **fc-》fs_type-》init_fs_context**; //新內(nèi)核使用fs_type-》init_fs_context接口 來初始化文件系統(tǒng)上下文

if （！init_fs_context） //init_fs_context回掉 主要用于初始化

init_fs_context = **legacy_init_fs_context**; //沒有 fs_type-》init_fs_context接口

-》 init_fs_context（fc） //初始化文件系統(tǒng)上下文 （初始化一些回掉函數(shù)，供后續(xù)使用）

來看下文件系統(tǒng)類型沒有實現(xiàn)init_fs_context接口的情況：

//fs/fs_context.c

init_fs_context = legacy_init_fs_context

-》 fc-》ops = &legacy_fs_context_ops //設(shè)置文件系統(tǒng)上下午操作

-》.get_tree = legacy_get_tree //操作方法的get_tree用于 讀取磁盤超級塊并在內(nèi)存創(chuàng)建超級塊，創(chuàng)建跟inode， 跟dentry

-》 root = fc-》fs_type-》mount（fc-》fs_type， fc-》sb_flags，

| fc-》source， ctx-》legacy_data） //調(diào)用文件系統(tǒng)類型的mount方法來讀取并創(chuàng)建超級塊

-》 fc-》root = root //賦值創(chuàng)建好的跟dentry

有一些文件系統(tǒng)使用原來的接口（fs_type.mount = xxx_mount）：如ext2，ext4等

有一些文件系統(tǒng)使用新的接口（fs_type.init_fs_context = xxx_init_fs_context）：xfs， proc， sys

無論使用哪一種，都會在xxx_init_fs_contex中實現(xiàn) fc-》ops = &xxx_context_ops 接口，后面會看的都會調(diào)用fc-》ops.get_tree 來讀取創(chuàng)建超級塊實例

繼續(xù)往下走：

do_new_mount

-》 。..

-》 fc = fs_context_for_mount（type， sb_flags） //分配 賦值文件系統(tǒng)上下文

-》 parse_monolithic_mount_data（fc， data） //調(diào)用fc-》ops-》parse_monolithic 解析掛載選項

-》 mount_capable（fc） //檢查是否有掛載權(quán)限

-》 vfs_get_tree（fc） //fs/super.c 掛載重點 調(diào)用fc-》ops-》get_tree（fc） 讀取創(chuàng)建超級塊實例

。..

3.5 掛載實例添加到全局文件系統(tǒng)樹

do_new_mount

。..

-》 do_new_mount_fc（fc， path， mnt_flags） //創(chuàng)建mount實例 關(guān)聯(lián)掛載點和超級塊 添加到命名空間的掛載樹中

下面主要看下vfs_get_tree和do_new_mount_fc：

4.具體文件系統(tǒng)掛載方法

1）vfs_get_tree

//以ext2文件系統(tǒng)為例

vfs_get_tree //fs/namespace.c

-》 fc-》ops-》get_tree（fc）

-》 legacy_get_tree //上面分析過 fs_type-》init_fs_context == NULL使用舊的接口（ext2為NULL）

-》fc-》fs_type-》mount

-》 ext2_mount //fs/ext2/super.c 調(diào)用到具體文件系統(tǒng)的掛載方法

來看下ext2對掛載的處理：

啟動階段初始化-》

//fs/ext2/super.c

module_init（init_ext2_fs）

init_ext2_fs

-》init_inodecache //創(chuàng)建ext2_inode_cache 對象緩存

-》register_filesystem（&ext2_fs_type） //注冊ext2的文件系統(tǒng)類型static struct file_system_type ext2_fs_type = {

.owner = THIS_MODULE，

.name = “ext2”，

.mount = ext2_mount， //掛載時調(diào)用 用于讀取創(chuàng)建超級塊實例

.kill_sb = kill_block_super， //卸載時調(diào)用 用于釋放超級塊

.fs_flags = FS_REQUIRES_DEV， //文件系統(tǒng)標志為 請求塊設(shè)備，文件系統(tǒng)在塊設(shè)備上

};

掛載時調(diào)用-》

// fs/ext2/super.cstatic struct dentry *ext2_mount（struct file_system_type *fs_type，

int flags， const char *dev_name， void *data）

{

return mount_bdev（fs_type， flags， dev_name， data， ext2_fill_super）;

}

ext2_mount通過調(diào)用mount_bdev來執(zhí)行實際文件系統(tǒng)的掛載工作，ext2_fill_super的一個函數(shù)指針作為參數(shù)傳遞給get_sb_bdev。該函數(shù)用于填充一個超級塊對象，如果內(nèi)存中沒有適當?shù)某墘K對象，數(shù)據(jù)就必須從硬盤讀取。

mount_bdev是個公用的函數(shù)，一般磁盤文件系統(tǒng)會使用它來根據(jù)具體文件系統(tǒng)的fill_super方法來讀取磁盤上的超級塊并在創(chuàng)建內(nèi)存超級塊。

我們來看下mount_bdev的實現(xiàn)（**它執(zhí)行完成之后會創(chuàng)建vfs的三大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) super_block、根inode和根dentry **）：

2）mount_bdev源碼分析

//fs/super.c

mount_bdev

-》bdev = blkdev_get_by_path（dev_name， mode， fs_type） //通過要掛載的塊設(shè)備路徑名 獲得它的塊設(shè)備描述符block_device（會涉及到路徑名查找和通過設(shè)備號在bdev文件系統(tǒng)查找block_device，block_device是添加塊設(shè)備到系統(tǒng)時創(chuàng)建的）

-》 s = sget（fs_type， test_bdev_super， set_bdev_super， flags | SB_NOSEC，

|bdev）; //查找或創(chuàng)建vfs的超級塊 （會首先在文件系統(tǒng)類型的fs_supers鏈表查找是否已經(jīng)讀取過指定的超級塊，會對比每個超級塊的s_bdev塊設(shè)備描述符，沒有創(chuàng)建一個）

-》 if （s-》s_root） { //超級塊的根dentry是否被賦值？

。..

} else { //沒有賦值說明時新創(chuàng)建的sb

。..

-》 sb_set_blocksize（s， block_size（bdev）） //根據(jù)塊設(shè)備描述符設(shè)置文件系統(tǒng)塊大小

-》 fill_super（s， data， flags & SB_SILENT ？ 1 ： 0） //調(diào)用傳遞的具體文件系統(tǒng)的填充超級塊方法讀取填充超級塊等 如ext2_fill_super

-》 bdev-》bd_super = s //塊設(shè)備bd_super指向sb

}

-》 return dget（s-》s_root） //返回文件系統(tǒng)的根dentry

可以看到mount_bdev主要是：1.根據(jù)要掛載的塊設(shè)備文件名查找到對應(yīng)的塊設(shè)備描述符（內(nèi)核后面操作塊設(shè)備都是使用塊設(shè)備描述符）；2.首先在文件系統(tǒng)類型的fs_supers鏈表查找是否已經(jīng)讀取過指定的vfs超級塊，會對比每個超級塊的s_bdev塊設(shè)備描述符，沒有創(chuàng)建一個vfs超級塊; 3.新創(chuàng)建的vfs超級塊，需要調(diào)用具體文件系統(tǒng)的fill_super方法來讀取填充超級塊。

那么下面主要集中在具體文件系統(tǒng)的fill_super方法，這里是ext2_fill_super：

分析重點代碼如下：

3）ext2_fill_super源碼分析

//fs/ext2/super.cstatic int ext2_fill_super（struct super_block *sb， void *data， int silent）

{

struct buffer_head * bh; //緩沖區(qū)頭 記錄讀取的磁盤超級塊

struct ext2_sb_info * sbi; //內(nèi)存的ext2 超級塊信息

struct ext2_super_block * es; //磁盤上的 超級塊信息

。..

sbi = kzalloc（sizeof（*sbi）， GFP_KERNEL）; //分配 內(nèi)存的ext2 超級塊信息結(jié)構(gòu)

if （！sbi）

goto failed;

。..

sb-》s_fs_info = sbi; //vfs的超級塊 的s_fs_info指向內(nèi)存的ext2 超級塊信息結(jié)構(gòu)

sbi-》s_sb_block = sb_block;

if （?。╞h = sb_bread（sb， logic_sb_block））） { // 讀取磁盤上的超級塊到內(nèi)存的 使用buffer_head關(guān)聯(lián)內(nèi)存緩沖區(qū)和磁盤扇區(qū)

ext2_msg（sb， KERN_ERR， “error： unable to read superblock”）;

goto failed_sbi;

}

es = （struct ext2_super_block *） （（（char *）bh-》b_data） + offset）; //轉(zhuǎn)換為struct ext2_super_block 結(jié)構(gòu)

sbi-》s_es = es; // 內(nèi)存的ext2 超級塊信息結(jié)構(gòu)的 s_es指向真正的ext2磁盤超級塊信息結(jié)構(gòu)

sb-》s_magic = le16_to_cpu（es-》s_magic）; //獲得文件系統(tǒng)魔數(shù) ext2為0xEF53

if （sb-》s_magic ！= EXT2_SUPER_MAGIC） //驗證 魔數(shù)是否正確

goto cantfind_ext2;

blocksize = BLOCK_SIZE 《《 le32_to_cpu（sbi-》s_es-》s_log_block_size）; //獲得磁盤讀取的塊大小

/* If the blocksize doesn‘t match， re-read the thing.。 */

if （sb-》s_blocksize ！= blocksize） { //塊大小不匹配 需要重新讀取超級塊

brelse（bh）;

if （！sb_set_blocksize（sb， blocksize）） {

ext2_msg（sb， KERN_ERR，

“error： bad blocksize %d”， blocksize）;

goto failed_sbi;

}

logic_sb_block = （sb_block*BLOCK_SIZE） / blocksize;

offset = （sb_block*BLOCK_SIZE） % blocksize;

bh = sb_bread（sb， logic_sb_block）; //重新 讀取超級塊

if（！bh） {

ext2_msg（sb， KERN_ERR， “error： couldn’t read”

“superblock on 2nd try”）;

goto failed_sbi;

}

es = （struct ext2_super_block *） （（（char *）bh-》b_data） + offset）;

sbi-》s_es = es;

if （es-》s_magic ！= cpu_to_le16（EXT2_SUPER_MAGIC）） {

ext2_msg（sb， KERN_ERR， “error： magic mismatch”）;

goto failed_mount;

}

}

sb-》s_maxbytes = ext2_max_size（sb-》s_blocksize_bits）; //設(shè)置最大文件大小

。..

//讀取或設(shè)置 inode大小和第一個inode號

if （le32_to_cpu（es-》s_rev_level） == EXT2_GOOD_OLD_REV） {

sbi-》s_inode_size = EXT2_GOOD_OLD_INODE_SIZE;

sbi-》s_first_ino = EXT2_GOOD_OLD_FIRST_INO;

} else {

sbi-》s_inode_size = le16_to_cpu（es-》s_inode_size）;

sbi-》s_first_ino = le32_to_cpu（es-》s_first_ino）;

。..

}

。..

sbi-》s_blocks_per_group = le32_to_cpu（es-》s_blocks_per_group）; //賦值每個塊組 塊個數(shù)

sbi-》s_frags_per_group = le32_to_cpu（es-》s_frags_per_group）;

sbi-》s_inodes_per_group = le32_to_cpu（es-》s_inodes_per_group）; //賦值每個塊組 inode個數(shù)

sbi-》s_inodes_per_block = sb-》s_blocksize / EXT2_INODE_SIZE（sb）; //賦值每個塊 inode個數(shù)

。..

sbi-》s_desc_per_block = sb-》s_blocksize /

sizeof （struct ext2_group_desc）; //賦值每個塊 塊組描述符個數(shù)

sbi-》s_sbh = bh; //賦值讀取的超級塊緩沖區(qū)

sbi-》s_mount_state = le16_to_cpu（es-》s_state）; //賦值掛載狀態(tài)

。..

if （sb-》s_magic ！= EXT2_SUPER_MAGIC）

goto cantfind_ext2;

//一些合法性檢查

。..

//計算塊組描述符 個數(shù)

sbi-》s_groups_count = （（le32_to_cpu（es-》s_blocks_count） -

le32_to_cpu（es-》s_first_data_block） - 1）

/ EXT2_BLOCKS_PER_GROUP（sb）） + 1;

db_count = （sbi-》s_groups_count + EXT2_DESC_PER_BLOCK（sb） - 1） /

| EXT2_DESC_PER_BLOCK（sb）;

sbi-》s_group_desc = kmalloc_array（db_count，

| sizeof（struct buffer_head *），

| GFP_KERNEL）; //分配塊組描述符 bh數(shù)組

for （i = 0; i 《 db_count; i++） { //讀取塊組描述符

block = descriptor_loc（sb， logic_sb_block， i）;

sbi-》s_group_desc［i］ = sb_bread（sb， block）; //讀取的 塊組描述符緩沖區(qū)保存 到sbi-》s_group_desc［i］

if （！sbi-》s_group_desc［i］） {

for （j = 0; j 《 i; j++）

brelse （sbi-》s_group_desc［j］）;

ext2_msg（sb， KERN_ERR，

“error： unable to read group descriptors”）;

goto failed_mount_group_desc;

}

}

sb-》s_op = &ext2_sops; //賦值超級塊操作

。..

root = ext2_iget（sb， EXT2_ROOT_INO）; //讀取根inode （ext2 根根inode號為2）

sb-》s_root = d_make_root（root）; //創(chuàng)建根dentry 并建立根inode和根dentry關(guān)系

ext2_write_super（sb）; //同步超級塊信息到磁盤 如掛載時間等

可以看到ext2_fill_super主要工作為：

1.讀取磁盤上的超級塊；

2.填充并關(guān)聯(lián)vfs超級塊；

3.讀取塊組描述符；

4.讀取磁盤根inode并建立vfs 根inode;

5.創(chuàng)建根dentry關(guān)聯(lián)到根inode。

下面給出ext2_fill_super之后ext2相關(guān)圖解：

有了這些信息，雖然能夠獲得塊設(shè)備上的文件系統(tǒng)全貌，內(nèi)核也能通過已經(jīng)建立好的block_device等結(jié)構(gòu)訪問塊設(shè)備，但是用戶進程不能真正意義上訪問到，用戶一般會通過open打開一個文件路徑來訪問文件，但是現(xiàn)在并沒有關(guān)聯(lián)掛載目錄的路徑，需要將文件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)到掛載點，以至于路徑名查找的時候查找到掛載點后，在轉(zhuǎn)向文件系統(tǒng)的根目錄，而這需要通過do_new_mount_fc來去關(guān)聯(lián)并加入全局的文件系統(tǒng)樹中，下一篇我們將做詳細講解。

文章出處：【微信公眾號：Linux閱碼場】

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