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)是一個對復(fù)雜系統(tǒng)進行抽象化的有趣例子。通過使用一組通用的 API 函數(shù)，Linux 可以在許多種存儲設(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)通過調(diào)用 read 函數(shù)讀取一個文件時，數(shù)據(jù)會正常返回。本文講解這個機制的實現(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)？

首先回答最常見的問題，“什么是文件系統(tǒng)”。文件系統(tǒng)是對一個存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)進行組織的機制。由于定義如此寬泛，支持它的代碼會很有意思。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)實現(xiàn)和操作存儲設(shè)備的驅(qū)動程序分隔開。

掛裝

在 Linux 中將一個文件系統(tǒng)與一個存儲設(shè)備關(guān)聯(lián)起來的過程稱為掛裝（mount）。使用 mount 命令將一個文件系統(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，要提供文件系統(tǒng)類型、文件系統(tǒng)和一個掛裝點。

為了說明 Linux 文件系統(tǒng)層的功能（以及掛裝的方法），我們在當(dāng)前文件系統(tǒng)的一個文件中創(chuàng)建一個文件系統(tǒng)。實現(xiàn)的方法是，首先用 dd 命令創(chuàng)建一個指定大小的文件（使用 /dev/zero 作為源進行文件復(fù)制）—— 換句話說，一個用零進行初始化的文件，見清單 1。

清單 1. 創(chuàng)建一個經(jīng)過初始化的文件

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

這個文件現(xiàn)在作為一個塊設(shè)備出現(xiàn)（由 /dev/loop0 表示）。然后用 mke2fs 在這個設(shè)備上創(chuàng)建一個文件系統(tǒng)。這個命令創(chuàng)建一個指定大小的新的 ext2 文件系統(tǒng)，見清單 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 文件掛裝到掛裝點 /mnt/point1。注意，文件系統(tǒng)類型指定為 ext2。掛裝之后，就可以將這個掛裝點當(dāng)作一個新的文件系統(tǒng)，比如使用 ls 命令，見清單 3。

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

如清單 4 所示，還可以繼續(xù)這個過程：在剛才掛裝的文件系統(tǒng)中創(chuàng)建一個新文件，將它與一個循環(huán)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，再在上面創(chuàng)建另一個文件系統(tǒng)。

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

通過這個簡單的演示很容易體會到 Linux 文件系統(tǒng)（和循環(huán)設(shè)備）是多么強大?？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使用循環(huán)設(shè)備臨時掛裝文件，這有助于保護數(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。然后進行深層次討論，介紹實現(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（glibc），它們?yōu)槲募到y(tǒng)調(diào)用（打開、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。

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

每個文件系統(tǒng)實現(xiàn)（比如 ext2、JFS 等等）導(dǎo)出一組通用接口，供 VFS 使用。緩沖區(qū)緩存會緩存文件系統(tǒng)和相關(guān)塊設(shè)備之間的請求。例如，對底層設(shè)備驅(qū)動程序的讀寫請求會通過緩沖區(qū)緩存來傳遞。這就允許在其中緩存請求，減少訪問物理設(shè)備的次數(shù)，加快訪問速度。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)緩存中的請求發(fā)送到存儲媒體（迫使所有未寫的數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備驅(qū)動程序，進而發(fā)送到存儲設(shè)備）。

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

主要結(jié)構(gòu)

Linux 以一組通用對象的角度看待所有文件系統(tǒng)。這些對象是超級塊（superblock）、inode、dentry 和文件。超級塊在每個文件系統(tǒng)的根上，超級塊描述和維護文件系統(tǒng)的狀態(tài)。文件系統(tǒng)中管理的每個對象（文件或目錄）在 Linux 中表示為一個 inode。inode 包含管理文件系統(tǒng)中的對象所需的所有元數(shù)據(jù)（包括可以在對象上執(zhí)行的操作）。

另一組結(jié)構(gòu)稱為 dentry，它們用來實現(xiàn)名稱和 inode 之間的映射，有一個目錄緩存用來保存最近使用的 dentry。dentry 還維護目錄和文件之間的關(guān)系，從而支持在文件系統(tǒng)中移動。最后，VFS 文件表示一個打開的文件（保存打開的文件的狀態(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)。

可以使用一組注冊函數(shù)在 Linux 中動態(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 /proc 文件系統(tǒng)在用戶空間中查看這個列表。這個虛擬文件還顯示當(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。這個函數(shù)的參數(shù)定義一個文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（file_system_type）的引用，這個結(jié)構(gòu)定義文件系統(tǒng)的名稱、一組屬性和兩個超級塊函數(shù)。也可以注銷文件系統(tǒng)。

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

圖 2. 向內(nèi)核注冊的文件系統(tǒng)

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

圖 3. 掛裝的文件系統(tǒng)列表

超級塊

超級塊結(jié)構(gòu)表示一個文件系統(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）。超級塊通常存儲在存儲媒體上，但是如果超級塊不存在，也可以實時創(chuàng)建它。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到超級塊結(jié)構(gòu)（見圖 4）。

圖 4. 超級塊結(jié)構(gòu)和 inode 操作

超級塊中的一個重要元素是超級塊操作的定義。這個結(jié)構(gòu)定義一組用來管理這個文件系統(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)。每個文件系統(tǒng)提供自己的 inode 方法，這些方法實現(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)中的一個對象，它具有惟一標識符。各個文件系統(tǒng)提供將文件名映射為惟一 inode 標識符和 inode 引用的方法。

圖 5 顯示 inode 結(jié)構(gòu)的一部分以及兩個相關(guān)結(jié)構(gòu)。請?zhí)貏e注意 inode_operations 和file_operations。這些結(jié)構(gòu)表示可以在這個 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（標準系統(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，對于 inode 緩存中的每個 inode，在目錄緩存中都有一個對應(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

除了各個文件系統(tǒng)實現(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。這個組件跟蹤來自文件系統(tǒng)實現(xiàn)和物理設(shè)備（通過設(shè)備驅(qū)動程序）的讀寫請求。為了提高效率，Linux 對請求進行緩存，避免將所有請求發(fā)送到物理設(shè)備。緩存中緩存最近使用的緩沖區(qū)（頁面），這些緩沖區(qū)可以快速提供給各個文件系統(tǒng)。

有趣的文件系統(tǒng)

本文沒有討論 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)請求通過 VFS 發(fā)送回用戶空間。所以，如果您有興趣創(chuàng)建自己的文件系統(tǒng)，那么通過使用 FUSE 進行開發(fā)是一種不錯的方法。

結(jié)束語

盡管文件系統(tǒng)的實現(xiàn)并不復(fù)雜，但它是可伸縮和可擴展的體系結(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)和許多目標存儲設(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。