linux 的文件系统

Linux 的文件系统课程目标：

• 操作系统的运行级别• 文件系统架构• 设备管理

各种各样的文件系统各种各样的文件系统Linux 的七个运行级别和含义

0.halt ---------( 关机）1.single-------( 单用户）2.multiuser,without NFS （多用户）3.Full multiuser mode （完全多用户）4.unused5.X11---------------------( 图形界面）6.reboot-------------------( 重新启动）

linuxlinux 文件系统目录布局文件系统目录布局To comply with FSSTND(File System

STaNDard):

/ - first of mount point in linux/etc - keep linux default configuration/boot - keep important linux booting files(can be a separate file

system)/bin - Essential command binaries for both root and ord. users /sbin - Essential system binaries for administrator /dev - keep all device files/usr - keep all user binary and X library /home - keep user home directory/proc - is pseudo file system for tracking running process and

state of linux system/var - keeping mail, log file and printer spooling/lib - contain shared library that is required by system

program/tmp - contain system temporary file/opt - Add-on application software packages

UNIX 文件系统文件类型• Directory --> catalogue of file name• Normal file --> format of data

– source file – text file

• Symbolic link --> a pointer to another file• Special file --> use for device controller in kernel• Named pipe --> communication channel which ca

n be used by serveral processes(may be irrelevant) in order to exchange data

硬链接（ Hard Link ）[root@localhost link]# ls -ltotal 1-rw-r--r-- 1 root root 667 Oct 15 13:39 a[root@localhost link]# ln a b[root@localhost link]# ls -ltotal 2-rw-r--r-- 2 root root 667 Oct 15 13:39 a-rw-r--r-- 2 root root 667 Oct 15 13:39 b[root@localhost link]# rm arm: remove `a'? y[root@localhost link]# ls -ltotal 1-rw-r--r-- 1 root root 667 Oct 15 13:39 b

inode/root/link

a

b

符号链接（ Symbolic link）[root@localhost symlink]# ls -ltotal 1-rw-r--r-- 1 root root 667 Oct 15 13:39 a[root@localhost symlink]# ln -s a b[root@localhost symlink]# ls -ltotal 1-rw-r--r-- 1 root root 667 Oct 15 13:39 alrwxrwxrwx 1 root root 1 Oct 15 14:20 b -> a[root@localhost yy]# rm arm: remove `a'? y[root@localhost symlink]# ls -ltotal 0lrwxrwxrwx 1 root root 1 Oct 15 14:20 b -> a[root@localhost symlink]# cat bcat: b: No such file or directory

inode/root/link

a

b

VFS(Virtual FileSystem)的作用

Virtual File System

Ext2Ext3 ... Buffer Cache Device Driver

Process Control S

ubsystem

System Call Interface User Programs

- Inter processcommunicati

on

Scheduler

Memorymanagem

ent

Hardware

基于 VFS 的文件访问

1进程

1进程

1进程

file对象

file对象

file对象

inode对象超级块磁盘

1进程

2进程

3进程

file对象

file对象

file对象

超级块 inode对象

dentry对象

dentry对象

根目录

子目录 子目录

文件子目录

子目录

新文件系统根

d_subdi rs

d_subdi rs

d_chi l d d_chi l d

d_chi l d

d_mounts d_covers

d_parent

d_parent

VFS 的目录项（ dentry）

VFS的 dentry 定义在 include/linux/dcache.h 中为了加快文件的查找，每一个曾被读取的目录或文件都可能在目录高速缓存（ directory cache ）中有一个 dentry 项；dentry 描述了目录与文件的关系树。

VFS 的目录项（ dentry）struct dentry { /*include/linux/dcache.h*/

atomic_t d_count;unsigned int d_flags;struct inode * d_inode; /* Where the name belongs to - NULL is negative

*/struct dentry * d_parent; /* parent directory */struct list_head d_hash; /* lookup hash list */struct list_head d_lru; /* d_count = 0 LRU list */struct list_head d_child; /* child of parent list */struct list_head d_subdirs; /* our children */struct list_head d_alias; /* inode alias list */int d_mounted;struct qstr d_name;unsigned long d_time; /* used by d_revalidate */struct dentry_operations *d_op;struct super_block * d_sb; /* The root of the dentry tree */unsigned long d_vfs_flags;void * d_fsdata; /* fs-specific data */unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; /* small names */

};

打开文件表 linux系统运行期间维护一张以 struct file （在include/linux/fs.h 中）作为节点的双向链表（系统打开文件表）。表头由 first_file给出。 struct file *first_file = NULL; /* fs/file_table.c */

对于每个进程， struct task_struct中的 files指向的 files_struct结构中有一个 fd指针数组，即维护一张进程打开文件表。数组元素即是指向系统打开文件表中某一节点的指针。

VFS 重要数据结构files_struct （在 sched.h）；file （在 fs.h）；dentry （在 dcache.h）； superblock （在 fs.h）；inode （在 fs.h）

文件系统类型static struct file_system_type *file_systems = (struct file_system_type *) NULL;struct file_system_type {

struct super_block *(*read_super)(); /* 读出该文件系统在外存的 super_block */

const char *name; /* 文件系统的类型名 */int requires_dev; /* 支持文件系统的设备 */struct file_system_type * next;

/* 文件系统类型链表的后续指针 */};

文件系统注册与注销• 文件系统类型的注册和注销函数int register_filesystem(struct file_system_type * fs)int unregister_filesystem(struct file_system_type * fs)

file_systems file_system_type file_system_type file_system_type

文件系统的安装（ mount）/

bin etcdev usr

Root filesystem / usr filesystem

Complete hierarchy after mounting /usr

/

bin manlib

/

bin etcdev usrusr

bin manlib

文件系统的安装（ mount）

安装点dentry

root

d_mounted!=0

i_sb mnt_mountpointmnt_root

下挂文件系统 安装点vfsmount

已安装文件系统的描述static LIST_HEAD(vfsmntlist);

struct vfsmount{ struct list_head mnt_hash; struct vfsmount *mnt_parent; /* fs we are mounted

on */ struct dentry *mnt_mountpoint; /* dentry of

mountpoint */ struct dentry *mnt_root; /* root of the mounted tree

*/ struct super_block *mnt_sb; /* pointer to superblock

*/ struct list_head mnt_mounts; /* list of children,

anchored here */ struct list_head mnt_child; /* and going through their

mnt_child */ atomic_t mnt_count; int mnt_flags; char *mnt_devname; /* Name of device e.g.

/dev/dsk/hda1 */ struct list_head mnt_list;};

已安装文件系统的描述mnt_sb s_type

mnt_sb

vfsmntlist vfsmount super_block

file_system_type

file_systems

路径查找• 系统调用 open、mkdir、 rename、 stat 等要查找路径

– open_namei()• path_init()• path_walk() • link_path_walk();

• 返回时， struct nameidata 中的 dentry和mnt 标识找到的文件或目录struct nameidata { /*include/linux/fs.h*/

struct dentry *dentry; /* 找到的 dentry 指针 */struct vfsmount *mnt; /* 找到的文件所在文件系统 */struct qstr last;unsigned int flags;int last_type;};

ext2 文件系统• 支持 UNIX 所有标准的文件系统特征，包括正文、目录、设备文件和连接文件等，这使得它很容易被 UNIX 程序员接受。事实上， ext2 的绝大多数的数据结构和系统调用与经典的 UNIX 一致• 能够管理海量存储介质。支持多达 4TB 的数据，即一个分区的容量最大可达 4TB• 支持长文件名，最多可达 255 个字符，并且可扩展到 1012 个字符• 允许通过文件属性改变内核的行为；目录下的文件继承目录的属性• 支持文件系统数据“即时同步”特性，即内存中的数据一旦改变，立即更新硬盘上的数据使之一致• 实现了“快速连接”（ fast symbolic links ）的方式，使得连接文件只需要存放 inode 的空间• 允许用户定制文件系统的数据单元（ block ）的大小，可以是 1024 、 20

48 或 4096 个字节，使之适应不同环境的要求• 使用专用文件记录文件系统的状态和错误信息，供下一次系统启动时决定是否需要检查文件系统

ext2 体系结构……引导块 N-1块组 N块组

超级块 组描述符 块位图 索引节点位图

索引节点表 数据块

0块组

内存中的 ext2 inode• ext2_inode_info （在 include/linux/ext2_fs_i.h）struct ext2_inode_info { __u32 i_data[15]; __u32 i_flags; __u32 i_faddr; __u8 i_frag_no; __u8 i_frag_size; __u16 i_osync; __u32 i_file_acl; __u32 i_dir_acl; __u32 i_dtime; __u32 i_block_group; __u32 i_next_alloc_block; __u32 i_next_alloc_goal; __u32 i_prealloc_block; __u32 i_prealloc_count; __u32 i_dir_start_lookup; int i_new_inode:1; /* Is a freshly allocated inode */};

外存中的 ext2 inode• struct

ext2_inode （在 include/linux/ext2_fs.h）

• 内、外存 inode 的读写：ext2_read_inode()ext2_update_inode()

Ext2_inode

12个直接块

一次间接块

二次间接块

三次间接块

数据块

ext2_i node

数据块

数据块

数据块

数据块

数据块

文件读写• read()和 write()int read(int fd, void *buf， size_t nbytes)；int write(int fd, void *buf， size_t nbytes)；• read() 调用 generic_file_read() ，再调用

do_generic_file_read() 读入内核缓冲区，然后调用file_read_actor() 将读入内容传入用户空间。最后调用update_atime() 修改 inode

• write() 调用 generic_file_write() 写数据入缓冲区，如果是同步写（ O_SYNC 置位），则调用 generic_osync_inode() 将缓冲区中数据写入磁盘文件。• 直接读写（ read、 write 时将 O_DIRECT 置位） generic_file_read() 先读 page cache generic_file_write() 先写入缓冲区 generic_file_direct_IO() 直接读写（ self-caching）

ext3 文件系统• 日志文件系统（ journaling file system)• 利用数据库的日志技术（ log, checkpoint）• 3 种日志方式： journal, ordered, writeback• 日志记录在 /.journal 中（隐藏的文件）• Kjournald—5s• Reiserfs

proc 文件系统•/proc ：一个虚拟文件系统，只存在于内存中，通过它可以查询、设置系统的运行情况及各种系统参数。•系统中的很多应用都依赖于 proc 文件系统，如命令lsmod 等同于 cat /proc/modules。•文件的大小为 0；•很多文件名体现了内核的相应参数，可以通过这个文件名修改参数值。如 #echo 2048 > /proc/sys/shmmni ，修改共享内存段的限制。•/proc 下的“数字目录”指代了相应 pid 的进程，如目录“ 1” 下的内容就是 1＃进程的各种信息。

CRAMFS•由 Linus Torvalds 参与开发的小型只读压缩文件系统•Inode 、文件名称和目录信息不压缩•单个文件最大为 16MB•数据压缩存放•适合不需要写、且体积较大的文件系统，如 /lib,/opt 等•与 JFFS2、 Cloop相比，读取速度快•压缩率可以超过 50％•读取文件时，每次读取 4k 内容，解压缩到 cache 中•Linux 内核已提供了对 cramfs 的支持，只要编译时选中•创建文件系统（生成 image 文件） #mkcramfs /lib lib.cramfs #mkcramfs /usr usr.cramfs•挂载文件系统 #mount –t cramfs lib.cramfs /lib –o loop #mount –t cramfs usr.cramfs /usr –o loop

CRAMFS

Super_block:76bytes, cramfs_inode:12bytesCramfs_inode中的 offset的单位为 4字节

CRAMFS根目录的 inode内容，根目录的内容在起始偏移 19*4=76字节处

根目录下的子目录与文件

11*12 + 14*4 = 188