Linux 文件系統(tǒng)層的主要結(jié)構(gòu)

Linux 文件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行抽象化的有趣例子。通過(guò)使用一組通用的 API 函數(shù)，Linux 可以在許多種存儲(chǔ)設(shè)備上支持許多種文件系統(tǒng)。例如，read 函數(shù)調(diào)用可以從指定的文件描述符讀取一定數(shù)量的字節(jié)。

read 函數(shù)不了解文件系統(tǒng)的類型，比如 ext3 或 NFS。它也不了解文件系統(tǒng)所在的存儲(chǔ)媒體，比如 AT Attachment Packet Interface(ATAPI)磁盤、Serial-Attached SCSI(SAS)磁盤或 Serial Advanced Technology Attachment（SATA）磁盤。

但是，當(dāng)通過(guò)調(diào)用 read 函數(shù)讀取一個(gè)文件時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)正常返回。本文講解這個(gè)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法，并介紹 Linux 文件系統(tǒng)層的主要結(jié)構(gòu)。

什么是文件系統(tǒng)

首先回答最常見(jiàn)的問(wèn)題，“什么是文件系統(tǒng)”。

文件系統(tǒng)是對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進(jìn)行組織的機(jī)制。由于定義如此寬泛，支持它的代碼會(huì)很有意思。

正如前面提到的，有許多種文件系統(tǒng)和媒體。由于存在這么多類型，可以預(yù)料到 Linux 文件系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)為分層的體系結(jié)構(gòu)，從而將用戶接口層、文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和操作存儲(chǔ)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序分隔開(kāi)。

掛載

在 Linux 中將一個(gè)文件系統(tǒng)與一個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)的過(guò)程稱為掛載（mount）。使用 mount 命令將一個(gè)文件系統(tǒng)附著到當(dāng)前文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)中（根）。在執(zhí)行掛載時(shí)，要提供文件系統(tǒng)類型、文件系統(tǒng)和一個(gè)掛載點(diǎn)。

為了說(shuō)明 Linux 文件系統(tǒng)層的功能（以及掛載的方法），我們?cè)诋?dāng)前文件系統(tǒng)的一個(gè)文件中創(chuàng)建一個(gè)文件系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)的方法是，首先用 dd 命令創(chuàng)建一個(gè)指定大小的文件（使用 /dev/zero 作為源進(jìn)行文件復(fù)制）—— 換句話說(shuō)，一個(gè)用零進(jìn)行初始化的文件，見(jiàn)清單 1。

清單 1. 創(chuàng)建一個(gè)經(jīng)過(guò)初始化的文件

現(xiàn)在有了一個(gè) 10MB 的 file.img 文件。使用 losetup 命令將一個(gè)循環(huán)設(shè)備與這個(gè)文件關(guān)聯(lián)起來(lái)，讓它看起來(lái)像一個(gè)塊設(shè)備，而不是文件系統(tǒng)中的常規(guī)文件：

這個(gè)文件現(xiàn)在作為一個(gè)塊設(shè)備出現(xiàn)（由 /dev/loop0 表示）。然后用 mke2fs 在這個(gè)設(shè)備上創(chuàng)建一個(gè)文件系統(tǒng)。這個(gè)命令創(chuàng)建一個(gè)指定大小的新的 ext2 文件系統(tǒng)，見(jiàn)清單 2。

清單 2. 用循環(huán)設(shè)備創(chuàng)建 ext2 文件系統(tǒng)

使用 mount 命令將循環(huán)設(shè)備（/dev/loop0）所表示的 file.img 文件掛裝到掛載點(diǎn) /mnt/point1。注意，文件系統(tǒng)類型指定為 ext2。掛載之后，就可以將這個(gè)掛載點(diǎn)當(dāng)作一個(gè)新的文件系統(tǒng)，比如使用 ls 命令，見(jiàn)清單 3。

清單 3. 創(chuàng)建掛裝點(diǎn)并通過(guò)循環(huán)設(shè)備掛裝文件系統(tǒng)

如清單 4 所示，還可以繼續(xù)這個(gè)過(guò)程：在剛才掛載的文件系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)新文件，將它與一個(gè)循環(huán)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)，再在上面創(chuàng)建另一個(gè)文件系統(tǒng)。

清單 4. 在循環(huán)文件系統(tǒng)中創(chuàng)建一個(gè)新的循環(huán)文件系統(tǒng)

通過(guò)這個(gè)簡(jiǎn)單的演示很容易體會(huì)到 Linux 文件系統(tǒng)（和循環(huán)設(shè)備）是多么強(qiáng)大?？梢园凑障嗤姆椒ㄔ谖募嫌醚h(huán)設(shè)備創(chuàng)建加密的文件系統(tǒng)?？梢栽谛枰獣r(shí)使用循環(huán)設(shè)備臨時(shí)掛裝文件，這有助于保護(hù)數(shù)據(jù)。

文件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

既然已經(jīng)看到了文件系統(tǒng)的構(gòu)造方法，現(xiàn)在就看看 Linux 文件系統(tǒng)層的體系結(jié)構(gòu)。本文從兩個(gè)角度考察 Linux 文件系統(tǒng)。首先采用高層體系結(jié)構(gòu)的角度。然后進(jìn)行深層次討論，介紹實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)層的主要結(jié)構(gòu)。

高層體系結(jié)構(gòu)

盡管大多數(shù)文件系統(tǒng)代碼在內(nèi)核中（后面討論的用戶空間文件系統(tǒng)除外），但是圖 1 所示的體系結(jié)構(gòu)顯示了用戶空間和內(nèi)核中與文件系統(tǒng)相關(guān)的主要組件之間的關(guān)系。

圖 1. Linux 文件系統(tǒng)組件的體系結(jié)構(gòu)

用戶空間包含一些應(yīng)用程序（例如，文件系統(tǒng)的使用者）和 GNU C 庫(kù)（glibc），它們?yōu)槲募到y(tǒng)調(diào)用（打開(kāi)、讀取、寫和關(guān)閉）提供用戶接口。系統(tǒng)調(diào)用接口的作用就像是交換器，它將系統(tǒng)調(diào)用從用戶空間發(fā)送到內(nèi)核空間中的適當(dāng)端點(diǎn)。

VFS 是底層文件系統(tǒng)的主要接口。這個(gè)組件導(dǎo)出一組接口，然后將它們抽象到各個(gè)文件系統(tǒng)，各個(gè)文件系統(tǒng)的行為可能差異很大。有兩個(gè)針對(duì)文件系統(tǒng)對(duì)象的緩存（inode 和 dentry）。它們緩存最近使用過(guò)的文件系統(tǒng)對(duì)象。

每個(gè)文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（比如 ext2、JFS 等等）導(dǎo)出一組通用接口，供 VFS 使用。緩沖區(qū)會(huì)緩存文件系統(tǒng)和相關(guān)塊設(shè)備之間的請(qǐng)求。例如，對(duì)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的讀寫請(qǐng)求會(huì)通過(guò)緩沖區(qū)緩存來(lái)傳遞。

這就允許在其中緩存請(qǐng)求，減少訪問(wèn)物理設(shè)備的次數(shù)，加快訪問(wèn)速度。以最近使用（LRU）列表的形式管理緩沖區(qū)緩存。

注意 ，可以使用 sync 命令將緩沖區(qū)緩存中的請(qǐng)求發(fā)送到存儲(chǔ)媒體（迫使所有未寫的數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)而發(fā)送到存儲(chǔ)設(shè)備）。

這就是 VFS 和文件系統(tǒng)組件的高層情況。現(xiàn)在，討論實(shí)現(xiàn)這個(gè)子系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。

主要結(jié)構(gòu)

Linux 以一組通用對(duì)象的角度看待所有文件系統(tǒng)。這些對(duì)象是超級(jí)塊（superblock）、inode、dentry 和文件。

超級(jí)塊在每個(gè)文件系統(tǒng)的根上，超級(jí)塊描述和維護(hù)文件系統(tǒng)的狀態(tài)。文件系統(tǒng)中管理的每個(gè)對(duì)象（文件或目錄）在 Linux 中表示為一個(gè) inode。

inode 包含管理文件系統(tǒng)中的對(duì)象所需的所有元數(shù)據(jù)（包括可以在對(duì)象上執(zhí)行的操作）。

另一組結(jié)構(gòu)稱為 dentry，它們用來(lái)實(shí)現(xiàn)名稱和 inode 之間的映射，有一個(gè)目錄緩存用來(lái)保存最近使用的 dentry。dentry 還維護(hù)目錄和文件之間的關(guān)系，從而支持在文件系統(tǒng)中移動(dòng)。

最后，VFS 文件表示一個(gè)打開(kāi)的文件（保存打開(kāi)的文件的狀態(tài)，比如寫偏移量等等）。

虛擬文件系統(tǒng)層

VFS 作為文件系統(tǒng)接口的根層。VFS 記錄當(dāng)前支持的文件系統(tǒng)以及當(dāng)前掛裝的文件系統(tǒng)。

可以使用一組注冊(cè)函數(shù)在 Linux 中動(dòng)態(tài)地添加或刪除文件系統(tǒng)。內(nèi)核保存當(dāng)前支持的文件系統(tǒng)的列表，可以通過(guò) /proc 文件系統(tǒng)在用戶空間中查看這個(gè)列表。這個(gè)虛擬文件還顯示當(dāng)前與這些文件系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的設(shè)備。

在 Linux 中添加新文件系統(tǒng)的方法是調(diào)用 register_filesystem。這個(gè)函數(shù)的參數(shù)定義一個(gè)文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（file_system_type）的引用，這個(gè)結(jié)構(gòu)定義文件系統(tǒng)的名稱、一組屬性和兩個(gè)超級(jí)塊函數(shù)。也可以注銷文件系統(tǒng)。

在注冊(cè)新的文件系統(tǒng)時(shí)，會(huì)把這個(gè)文件系統(tǒng)和它的相關(guān)信息添加到 file_systems 列表中（見(jiàn)圖 2 和 linux/ include/ linux/ mount.h）。這個(gè)列表定義可以支持的文件系統(tǒng)。在命令行上輸入 cat /proc/filesystems，就可以查看這個(gè)列表。

圖 2. 向內(nèi)核注冊(cè)的文件系統(tǒng)

VFS 中維護(hù)的另一個(gè)結(jié)構(gòu)是掛裝的文件系統(tǒng)（見(jiàn)圖 3）。這個(gè)結(jié)構(gòu)提供當(dāng)前掛裝的文件系統(tǒng)(見(jiàn) linux /include /linux/fs.h)。它鏈接下面討論的超級(jí)塊結(jié)構(gòu)。

圖 3. 掛裝的文件系統(tǒng)列表

超級(jí)塊

超級(jí)塊結(jié)構(gòu)表示一個(gè)文件系統(tǒng)。它包含管理文件系統(tǒng)所需的信息，包括文件系統(tǒng)名稱（比如 ext2）、文件系統(tǒng)的大小和狀態(tài)、塊設(shè)備的引用和元數(shù)據(jù)信息（比如空閑列表等等）。

超級(jí)塊通常存儲(chǔ)在存儲(chǔ)媒體上，但是如果超級(jí)塊不存在，也可以實(shí)時(shí)創(chuàng)建它。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到超級(jí)塊結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖 4）。

圖 4. 超級(jí)塊結(jié)構(gòu)和 inode 操作

超級(jí)塊中的一個(gè)重要元素是超級(jí)塊操作的定義。這個(gè)結(jié)構(gòu)定義一組用來(lái)管理這個(gè)文件系統(tǒng)中的 inode 的函數(shù)。

例如，可以用 alloc_inode 分配 inode，用 destroy_inode 刪除 inode?？梢杂?read_inode和 write_inode 讀寫 inode，用 sync_fs 執(zhí)行文件系統(tǒng)同步?？梢栽?./linux /include/ linux/fs.h 中找到 super_operations 結(jié)構(gòu)。

每個(gè)文件系統(tǒng)提供自己的 inode 方法，這些方法實(shí)現(xiàn)操作并向 VFS 層提供通用的抽象。

inode和dentry

inode 表示文件系統(tǒng)中的一個(gè)對(duì)象，它具有惟一標(biāo)識(shí)符。各個(gè)文件系統(tǒng)提供將文件名映射為惟一 inode 標(biāo)識(shí)符和 inode 引用的方法。

圖 5 顯示 inode 結(jié)構(gòu)的一部分以及兩個(gè)相關(guān)結(jié)構(gòu)。請(qǐng)?zhí)貏e注意 inode_operations 和file_operations。這些結(jié)構(gòu)表示可以在這個(gè) inode 上執(zhí)行的操作。inode_operations 定義直接在 inode 上執(zhí)行的操作，而 file_operations 定義與文件和目錄相關(guān)的方法（標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用）。

圖 5. inode 結(jié)構(gòu)和相關(guān)聯(lián)的操作

inode 和目錄緩存分別保存最近使用的 inode 和 dentry。

注意，對(duì)于 inode 緩存中的每個(gè) inode，在目錄緩存中都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的 dentry。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到 inode 和dentry 結(jié)構(gòu)。

緩沖區(qū)緩存

除了各個(gè)文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)（可以在 ./linux/fs 中找到）之外，文件系統(tǒng)層的底部是緩沖區(qū)緩存。這個(gè)組件跟蹤來(lái)自文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和物理設(shè)備（通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）的讀寫請(qǐng)求。

為了提高效率，Linux 對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行緩存，避免將所有請(qǐng)求發(fā)送到物理設(shè)備。緩存中緩存最近使用的緩沖區(qū)（頁(yè)面），這些緩沖區(qū)可以快速提供給各個(gè)文件系統(tǒng)。

有趣的文件系統(tǒng)

本文沒(méi)有討論 Linux 中可用的具體文件系統(tǒng)，但是值得在這里稍微提一下。Linux 支持許多種文件系統(tǒng)，包括 MINIX、MS-DOS 和 ext2 等老式文件系統(tǒng)。

Linux 還支持 ext3、JFS 和 ReiserFS 等新的日志型文件系統(tǒng)。另外，Linux 支持加密文件系統(tǒng)（比如 CFS）和虛擬文件系統(tǒng)（比如 /proc）。

最后一種值得注意的文件系統(tǒng)是 Filesystem in Userspace（FUSE）。這種文件系統(tǒng)可以將文件系統(tǒng)請(qǐng)求通過(guò) VFS 發(fā)送回用戶空間。所以，如果你有興趣創(chuàng)建自己的文件系統(tǒng)，那么通過(guò)使用 FUSE 進(jìn)行開(kāi)發(fā)是一種不錯(cuò)的方法。

結(jié)束語(yǔ)

盡管文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜，但它是可伸縮和可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)的好例子。

文件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)展了許多年，并成功地支持了許多不同類型的文件系統(tǒng)和許多目標(biāo)存儲(chǔ)設(shè)備類型。

由于使用了基于插件的體系結(jié)構(gòu)和多層的函數(shù)間接性，Linux 文件系統(tǒng)在近期的發(fā)展很值得關(guān)注。