Linux文件系統(tǒng)組件的體系結(jié)構(gòu)介紹

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。這種機(jī)制有利于用戶和操作系統(tǒng)的交互。

盡管內(nèi)核是 Linux 的核心，但文件卻是用戶與操作系統(tǒng)交互所采用的主要工具。這對(duì) Linux 來(lái)說(shuō)尤其如此，這是因?yàn)樵?UNIX 傳統(tǒng)中，它使用文件 I/O 機(jī)制管理硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)文件

這句話我是這樣理解的，在Linux沒(méi)有文件系統(tǒng)的話，用戶和操作系統(tǒng)的交互也就斷開(kāi)了，例如我們使用最多的交互shell，包括其它的一些用戶程序，都沒(méi)有辦法運(yùn)行。在這里可以看到文件系統(tǒng)相對(duì)于Linux操作系統(tǒng)的重要性。

下面是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)緩存會(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）。

當(dāng)我們?cè)赪indows下，提到文件系統(tǒng)時(shí)，你的第一反應(yīng)是想到的是什么？是不是Windows下的一些Fat32、NTFS等的文件系統(tǒng)的類型。而在Linux中，你可能會(huì)想到Ext2、Ext3，但你還必須要有一個(gè)根文件系統(tǒng)的概念。根文件系統(tǒng)首先是一種文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)不僅具有普通文件系統(tǒng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件的功能，但是相對(duì)于普通的文件系統(tǒng)，它的特殊之處在于，它是內(nèi)核啟動(dòng)時(shí)所mount的第一個(gè)文件系統(tǒng)，內(nèi)核代碼的映像文件保存在根文件系統(tǒng)中，系統(tǒng)引導(dǎo)啟動(dòng)程序會(huì)在根文件系統(tǒng)掛載之后從中把一些初始化腳本（如rcS，inittab）和服務(wù)加載到內(nèi)存中去運(yùn)行。我們要明白文件系統(tǒng)和內(nèi)核是完全獨(dú)立的兩個(gè)部分。在嵌入式中移植的內(nèi)核下載到開(kāi)發(fā)板上，是沒(méi)有辦法真正的啟動(dòng)Linux操作系統(tǒng)的，會(huì)出現(xiàn)無(wú)法加載文件系統(tǒng)的錯(cuò)誤。

那么根文件系統(tǒng)在系統(tǒng)啟動(dòng)中到底是什么時(shí)候掛載的呢？先將/dev/ram0掛載，而后執(zhí)行/linuxrc.等其執(zhí)行完后。切換根目錄，再掛載具體的根文件系統(tǒng)。根文件系統(tǒng)執(zhí)行完之后，也就是到了Start_kernel（）函數(shù)的最后，執(zhí)行init的進(jìn)程，也就第一個(gè)用戶進(jìn)程。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種初始化的操作。如果要能明白這里的過(guò)程的話，可要好好的看看Linux內(nèi)核源碼了。

根文件系統(tǒng)之所以在前面加一個(gè)”根“，說(shuō)明它是加載其它文件系統(tǒng)的”根“，既然是根的話，那么如果沒(méi)有這個(gè)根，其它的文件系統(tǒng)也就沒(méi)有辦法進(jìn)行加載的。它包含系統(tǒng)引導(dǎo)和使其他文件系統(tǒng)得以mount所必要的文件。根文件系統(tǒng)包括Linux啟動(dòng)時(shí)所必須的目錄和關(guān)鍵性的文件，例如Linux啟動(dòng)時(shí)都需要有init目錄下的相關(guān)文件，在 Linux掛載分區(qū)時(shí)Linux一定會(huì)找/etc/fstab這個(gè)掛載文件等，根文件系統(tǒng)中還包括了許多的應(yīng)用程序bin目錄等，任何包括這些Linux 系統(tǒng)啟動(dòng)所必須的文件都可以成為根文件系統(tǒng)。

Linux啟動(dòng)時(shí)，第一個(gè)必須掛載的是根文件系統(tǒng);若系統(tǒng)不能從指定設(shè)備上掛載根文件系統(tǒng)，則系統(tǒng)會(huì)出錯(cuò)而退出啟動(dòng)。成功之后可以自動(dòng)或手動(dòng)掛載其他的文件系統(tǒng)。因此，一個(gè)系統(tǒng)中可以同時(shí)存在不同的文件系統(tǒng)。

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)程稱為掛裝（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)行掛裝時(shí)，要提供文件系統(tǒng)類型、文件系統(tǒng)和一個(gè)掛裝點(diǎn)。根文件系統(tǒng)被掛載到根目錄下“/”上后，在根目錄下就有根文件系統(tǒng)的各個(gè)目錄，文件：/bin /sbin /mnt等，再將其他分區(qū)掛接到/mnt目錄上，/mnt目錄下就有這個(gè)分區(qū)的各個(gè)目錄，文件。

1./bin目錄

該目錄下存放所有用戶都可以使用的、基本的命令，這些命令在掛接其它文件系統(tǒng)之前就可以使用，所以/bin目錄必須和根文件系統(tǒng)在同一個(gè)分區(qū)中。

/bin目錄下常用的命令有：cat，chgrp，chmod，cp，ls，sh，kill，mount，umount，mkdir，mknod，［，test等“［”命令其實(shí)就是test命令，我們?cè)诶肂usybox制作根文件系統(tǒng)時(shí)，在生成的bin目錄下，可以看到一些可執(zhí)行的文件，也就是可用的一些命令。

2./sbin 目錄

該目錄下存放系統(tǒng)命令，即只有管理員能夠使用的命令，系統(tǒng)命令還可以存放在/usr/sbin，/usr/local/sbin目錄下，/sbin目錄中存放的是基本的系統(tǒng)命令，它們用于啟動(dòng)系統(tǒng)，修復(fù)系統(tǒng)等，與/bin目錄相似，在掛接其他文件系統(tǒng)之前就可以使用/sbin，所以/sbin目錄必須和根文件系統(tǒng)在同一個(gè)分區(qū)中。

/sbin目錄下常用的命令有：shutdown reboot fdisk fsck等，本地用戶自己安裝的系統(tǒng)命令放在/usr/local/sbin目錄下。

3、/dev目錄

該目錄下存放的是設(shè)備文件，設(shè)備文件是Linux中特有的文件類型，在Linux系統(tǒng)下，以文件的方式訪問(wèn)各種設(shè)備，即通過(guò)讀寫某個(gè)設(shè)備文件操作某個(gè)具體硬件。比如通過(guò)“dev/ttySAC0”文件可以操作串口0，通過(guò)“/dev/mtdblock1”可以訪問(wèn)MTD設(shè)備的第2個(gè)分區(qū)。

4./etc目錄

該目錄下存放著各種配置文件，對(duì)于PC上的Linux系統(tǒng)，/etc目錄下的文件和目錄非常多，這些目錄文件是可選的，它們依賴于系統(tǒng)中所擁有的應(yīng)用程序，依賴于這些程序是否需要配置文件。在嵌入式系統(tǒng)中，這些內(nèi)容可以大為精減。

5./lib目錄

該目錄下存放共享庫(kù)和可加載（驅(qū)動(dòng)程序），共享庫(kù)用于啟動(dòng)系統(tǒng)。運(yùn)行根文件系統(tǒng)中的可執(zhí)行程序，比如：/bin /sbin 目錄下的程序。

6、/home目錄

用戶目錄，它是可選的，對(duì)于每個(gè)普通用戶，在/home目錄下都有一個(gè)以用戶名命名的子目錄，里面存放用戶相關(guān)的配置文件。

7./root目錄

根用戶的目錄，與此對(duì)應(yīng)，普通用戶的目錄是/home下的某個(gè)子目錄。

8./usr目錄

/usr目錄的內(nèi)容可以存在另一個(gè)分區(qū)中，在系統(tǒng)啟動(dòng)后再掛接到根文件系統(tǒng)中的/usr目錄下。里面存放的是共享、只讀的程序和數(shù)據(jù)，這表明/usr目錄下的內(nèi)容可以在多個(gè)主機(jī)間共享，這些主要也符合FHS標(biāo)準(zhǔn)的。/usr中的文件應(yīng)該是只讀的，其他主機(jī)相關(guān)的，可變的文件應(yīng)該保存在其他目錄下，比如/var。/usr目錄在嵌入式中可以精減。

9、 /var目錄

與/usr目錄相反，/var目錄中存放可變的數(shù)據(jù)，比如spool目錄（mail，news），log文件，臨時(shí)文件。

10、/proc目錄

這是一個(gè)空目錄，常作為proc文件系統(tǒng)的掛接點(diǎn)，proc文件系統(tǒng)是個(gè)虛擬的文件系統(tǒng)，它沒(méi)有實(shí)際的存儲(chǔ)設(shè)備，里面的目錄，文件都是由內(nèi)核臨時(shí)生成的，用來(lái)表示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，也可以操作其中的文件控制系統(tǒng)。

11、 /mnt目錄

用于臨時(shí)掛載某個(gè)文件系統(tǒng)的掛接點(diǎn)，通常是空目錄，也可以在里面創(chuàng)建一引起空的子目錄，比如/mnt/cdram /mnt/hda1 。用來(lái)臨時(shí)掛載光盤、硬盤。

12. /tmp目錄

用于存放臨時(shí)文件，通常是空目錄，一些需要生成臨時(shí)文件的程序用到的/tmp目錄下，所以/tmp目錄必須存在并可以訪問(wèn)。

那我們利用Busybox制作根文件系統(tǒng)就是創(chuàng)建這上面的這些目錄，和這些目錄下面的各種文件。

對(duì)于嵌入式Linux系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般可能沒(méi)有上面所列出的那么復(fù)雜，比如嵌入式系統(tǒng)通常都不是針對(duì)多用戶的，所以/home這個(gè)目錄在一般嵌入式Linux中可能就很少用到，而/boot這個(gè)目錄則取決于你所使用的BootLoader是否能夠重新獲得內(nèi)核映象從你的根文件系統(tǒng)在內(nèi)核啟動(dòng)之前。一般說(shuō)來(lái)，只有/bin，/dev，/etc，/lib，/proc，/var，/usr這些需要的，而其他都是可選的。

根文件系統(tǒng)一直以來(lái)都是所有類Unix操作系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，也可以認(rèn)為是嵌入式Linux系統(tǒng)區(qū)別于其他一些傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)的重要特征，它給 Linux帶來(lái)了許多強(qiáng)大和靈活的功能，同時(shí)也帶來(lái)了一些復(fù)雜性。我們需要清楚的了解根文件系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以及細(xì)心的選擇所需要的系統(tǒng)庫(kù)、內(nèi)核模塊和應(yīng)用程序等，并配置好各種初始化腳本文件，以及選擇合適的文件系統(tǒng)類型并把它放到實(shí)際的存儲(chǔ)設(shè)備的合適位置，下面是幾中比較常用的文件系統(tǒng)。

（1） jffs2

JFFS嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)最早是由瑞典 Axis Communications公司基于Linux2.0的內(nèi)核為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的文件系統(tǒng)。JFFS2是RedHat公司基于JFFS開(kāi)發(fā)的閃存文件系統(tǒng)，最初是針對(duì)RedHat公司的嵌入式產(chǎn)品eCos開(kāi)發(fā)的嵌入式文件系統(tǒng)，所以JFFS2也可以用在Linux， uCLinux中。

Jffs2： 日志閃存嵌入式系統(tǒng)文件系統(tǒng)版本2 （Journalling Flash FileSystem v2）主要用于NOR型閃存，基于MTD驅(qū)動(dòng)層，特點(diǎn)是：可讀寫的、支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮的、基于哈希表的日志型文件系統(tǒng)，并提供了崩潰/掉電安全保護(hù)，提供“寫平衡”支持等。缺點(diǎn)主要是當(dāng)文件系統(tǒng)已滿或接近滿時(shí)，因?yàn)槔占年P(guān)系而使jffs2的運(yùn)行速度大大放慢。目前jffs3正在開(kāi)發(fā)中。關(guān)于jffs系列文件系統(tǒng)的使用詳細(xì)文檔，可參考MTD補(bǔ)丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

jffsx不適合用于NAND閃存主要是因?yàn)镹AND閃存的容量一般較大，這樣導(dǎo)致jffs為維護(hù)日志節(jié)點(diǎn)所占用的內(nèi)存空間迅速增大，另外，jffsx文件系統(tǒng)在掛載時(shí)需要掃描整個(gè)FLASH的內(nèi)容，以找出所有的日志節(jié)點(diǎn)，建立文件結(jié)構(gòu)，對(duì)于大容量的NAND閃存會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間。

（2） yaffs：Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2是專為嵌入式系統(tǒng)使用 NAND型閃存而設(shè)計(jì)的一種日志型文件系統(tǒng)。與jffs2相比，它減少了一些功能（例如不支持?jǐn)?shù)據(jù)壓縮），所以速度更快，掛載時(shí)間很短，對(duì)內(nèi)存的占用較小。另外，它還是跨平臺(tái)的文件系統(tǒng)，除了Linux和eCos，還支持WinCE， pSOS和ThreadX等。

yaffs/yaffs2自帶NAND芯片的驅(qū)動(dòng)，并且為嵌入式系統(tǒng)提供了直接訪問(wèn)文件系統(tǒng)的API，用戶可以不使用Linux中的MTD與VFS，直接對(duì)文件系統(tǒng)操作。當(dāng)然，yaffs也可與MTD驅(qū)動(dòng)程序配合使用。

yaffs與 yaffs2的主要區(qū)別在于，前者僅支持小頁(yè)（512 Bytes） NAND閃存，后者則可支持大頁(yè)（2KB） NAND閃存。同時(shí)，yaffs2在內(nèi)存空間占用、垃圾回收速度、讀/寫速度等方面均有大幅提升。

（3） Cramfs：Compressed ROM File System

Cramfs是Linux的創(chuàng)始人 Linus Torvalds參與開(kāi)發(fā)的一種只讀的壓縮文件系統(tǒng)。它也基于MTD驅(qū)動(dòng)程序。在cramfs文件系統(tǒng)中，每一頁(yè)（4KB）被單獨(dú)壓縮，可以隨機(jī)頁(yè)訪問(wèn)，其壓縮比高達(dá)2:1，為嵌入式系統(tǒng)節(jié)省大量的Flash存儲(chǔ)空間，使系統(tǒng)可通過(guò)更低容量的FLASH存儲(chǔ)相同的文件，從而降低系統(tǒng)成本。

Cramfs文件系統(tǒng)以壓縮方式存儲(chǔ)，在運(yùn)行時(shí)解壓縮，所以不支持應(yīng)用程序以XIP方式運(yùn)行，所有的應(yīng)用程序要求被拷到RAM里去運(yùn)行，但這并不代表比 Ramfs需求的RAM空間要大一點(diǎn)，因?yàn)镃ramfs是采用分頁(yè)壓縮的方式存放檔案，在讀取檔案時(shí)，不會(huì)一下子就耗用過(guò)多的內(nèi)存空間，只針對(duì)目前實(shí)際讀取的部分分配內(nèi)存，尚沒(méi)有讀取的部分不分配內(nèi)存空間，當(dāng)我們讀取的檔案不在內(nèi)存時(shí)，Cramfs文件系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算壓縮后的資料所存的位置，再即時(shí)解壓縮到 RAM中。另外，它的速度快，效率高，其只讀的特點(diǎn)有利于保護(hù)文件系統(tǒng)免受破壞，提高了系統(tǒng)的可靠性。

由于以上特性，Cramfs在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但是它的只讀屬性同時(shí)又是它的一大缺陷，使得用戶無(wú)法對(duì)其內(nèi)容對(duì)進(jìn)擴(kuò)充。Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在別的文件系統(tǒng)里，使用 loopback 設(shè)備可以把它安裝別的文件系統(tǒng)里。

（4） 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS （Network File System）

NFS是由Sun開(kāi)發(fā)并發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)在不同機(jī)器、不同操作系統(tǒng)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享文件的技術(shù)。在嵌入式Linux系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)調(diào)試階段，可以利用該技術(shù)在主機(jī)上建立基于NFS 的根文件系統(tǒng)，掛載到嵌入式設(shè)備，可以很方便地修改根文件系統(tǒng)的內(nèi)容。以上討論的都是基于存儲(chǔ)設(shè)備的文件系統(tǒng)（memory-based file system），它們都可用作Linux的根文件系統(tǒng)。實(shí)際上，Linux還支持邏輯的或偽文件系統(tǒng)（logical or pseudo file system），例如procfs（proc文件系統(tǒng)），用于獲取系統(tǒng)信息，以及devfs（設(shè)備文件系統(tǒng)）和sysfs，用于維護(hù)設(shè)備文件。
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