Linux 文件系統(tǒng)掛裝與高層體系結構
我們在Linux 文件系統(tǒng)精通指南這篇文章中向大家介紹過有關的Linux 文件系統(tǒng)。在文件系統(tǒng)方面，Linux可以算得上操作系統(tǒng)中的 “瑞士軍刀”。Linux 支持許多種文件系統(tǒng)，從日志型文件系統(tǒng)到集群文件系統(tǒng)和加密文件系統(tǒng)。
對于使用標準的和比較奇特的文件系統(tǒng)以及開發(fā)文件系統(tǒng)來說，Linux 是極好的平臺。本文討論Linux內核中的虛擬文件系統(tǒng)（VFS，有時候稱為虛擬文件系統(tǒng)交換器），然后介紹將文件系統(tǒng)連接在一起的主要結構。
基本的文件系統(tǒng)體系結構
Linux 文件系統(tǒng)體系結構是一個對復雜系統(tǒng)進行抽象化的有趣例子。通過使用一組通用的 API 函數，Linux 可以在許多種存儲設備上支持許多種文件系統(tǒng)。例如，read 函數調用可以從指定的文件描述符讀取一定數量的字節(jié)。read 函數不了解文件系統(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，當通過調用 read 函數讀取一個文件時，數據會正常返回。本文講解這個機制的實現(xiàn)方法并介紹Linux文件系統(tǒng)層的主要結構。
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)是對一個存儲設備上的數據和元數據進行組織的機制。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，可以預料到Linux文件系統(tǒng)接口實現(xiàn)為分層的體系結構，從而將用戶接口層、文件系統(tǒng)實現(xiàn)和操作存儲設備的驅動程序分隔開。
掛裝
在Linux中將一個文件系統(tǒng)與一個存儲設備關聯(lián)起來的過程稱為掛裝（mount）。使用 mount 命令將一個文件系統(tǒng)附著到當前文件系統(tǒng)層次結構中（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)建一個經過初始化的文件
- $ dd if=/dev/zero of=file.img bs=1k count=10000
- 10000+0 records in
- 10000+0 records out
- $
現(xiàn)在有了一個 10MB 的 file.img 文件。使用 losetup 命令將一個循環(huán)設備與這個文件關聯(lián)起來，讓它看起來像一個塊設備，而不是文件系統(tǒng)中的常規(guī)文件：
- $ losetup /dev/loop0 file.img
- $
這個文件現(xiàn)在作為一個塊設備出現(xiàn)（由 /dev/loop0 表示）。然后用 mke2fs 在這個設備上創(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)設備創(chuàng)建 ext2 文件系統(tǒng)
- $ mke2fs -c /dev/loop0 10000
- mke2fs 1.35 (28-Feb-2004)
- max_blocks 1024000, rsv_groups = 1250, rsv_gdb = 39
- Filesystem label=
- OS type: Linux
- Block size=1024 (log=0)
- Fragment size=1024 (log=0)
- 2512 inodes, 10000 blocks
- 500 blocks (5.00%) reserved for the super user
- ...
- $
使用 mount 命令將循環(huán)設備（/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)設備掛裝文件系統(tǒng)
- $ mkdir /mnt/point1
- $ mount -t ext2 /dev/loop0 /mnt/point1
- $ ls /mnt/point1
- lost+found
- $
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)設備關聯(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)
- $ dd if=/dev/zero of=/mnt/point1/file.img bs=1k count=1000
- 1000+0 records in
- 1000+0 records out
- $ losetup /dev/loop1 /mnt/point1/file.img
- $ mke2fs -c /dev/loop1 1000
- mke2fs 1.35 (28-Feb-2004)
- max_blocks 1024000, rsv_groups = 125, rsv_gdb = 3
- Filesystem label=
- ...
- $ mkdir /mnt/point2
- $ mount -t ext2 /dev/loop1 /mnt/point2
- $ ls /mnt/point2
- lost+found
- $ ls /mnt/point1
- file.img lost+found
- $
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)設備）是多么強大。可以按照相同的方法在文件上用循環(huán)設備創(chuàng)建加密的文件系統(tǒng)。可以在需要時使用循環(huán)設備臨時掛裝文件，這有助于保護數據。
文件系統(tǒng)體系結構
既然已經看到了文件系統(tǒng)的構造方法，現(xiàn)在就看看Linux文件系統(tǒng)層的體系結構。本文從兩個角度考察Linux文件系統(tǒng)。首先采用高層體系結構的角度。然后進行深層次討論，介紹實現(xiàn)文件系統(tǒng)層的主要結構。
高層體系結構
盡管大多數文件系統(tǒng)代碼在內核中（后面討論的用戶空間文件系統(tǒng)除外），但是圖 1 所示的體系結構顯示了用戶空間和內核中與文件系統(tǒng)相關的主要組件之間的關系。
圖 1.Linux文件系統(tǒng)組件的體系結構
用戶空間包含一些應用程序（例如，文件系統(tǒng)的使用者）和 GNU C 庫（glibc），它們?yōu)槲募到y(tǒng)調用（打開、讀取、寫和關閉）提供用戶接口。系統(tǒng)調用接口的作用就像是交換器，它將系統(tǒng)調用從用戶空間發(fā)送到內核空間中的適當端點。
VFS 是底層文件系統(tǒng)的主要接口。這個組件導出一組接口，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)和相關塊設備之間的請求。例如，對底層設備驅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，減少訪問物理設備的次數，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（迫使所有未寫的數據發(fā)送到設備驅動程序，進而發(fā)送到存儲設備）。
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)的主要結構。#p#
主要結構
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據（包括可以在對象上執(zhí)行的操作）。另一組結構稱為 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 記錄當前支持的文件系統(tǒng)以及當前掛裝的文件系統(tǒng)。
可以使用一組注冊函數在Linux中動態(tài)地添加或刪除文件系統(tǒng)。內核保存當前支持的文件系統(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前與這些文件系統(tǒng)相關聯(lián)的設備。在Linux中添加新文件系統(tǒng)的方法是調用 register_filesystem。這個函數的參數定義一個文件系統(tǒng)結構（file_system_type）的引用，這個結構定義文件系統(tǒng)的名稱、一組屬性和兩個超級塊函數。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. 向內核注冊的文件系統(tǒng)
VFS 中維護的另一個結構是掛裝的文件系統(tǒng)（見圖 3）。這個結構提供當前掛裝的文件系統(tǒng)（見 linux/include/linux/fs.h）。它鏈接下面討論的超級塊結構。
圖 3. 掛裝的文件系統(tǒng)列表
超級塊
超級塊結構表示一個文件系統(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)、塊設備的引用和元數據信息（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?？梢栽?./linux/include/linux/fs.h 中找到超級塊結構（見圖 4）。
圖 4. 超級塊結構和 inode 操作
超級塊中的一個重要元素是超級塊操作的定義。這個結構定義一組用來管理這個文件系統(tǒng)中的 inode 的函數。例如，可以用 alloc_inode 分配 inode，用 destroy_inode 刪除 inode。可以用 read_inode 和 write_inode 讀寫 inode，用 sync_fs 執(zhí)行文件系統(tǒng)同步。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到 super_operations 結構。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 結構的一部分以及兩個相關結構。請?zhí)貏e注意 inode_operations 和 file_operations。這些結構表示可以在這個 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的方法（標準系統(tǒng)調用）。
圖 5. inode 結構和相關聯(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的 dentry?？梢栽?./linux/include/linux/fs.h 中找到 inode 和 dentry 結構。
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)和物理設備（通過設備驅動程序）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 文件系統(tǒng)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。
結束語
盡管文件系統(tǒng)的實現(xiàn)并不復雜，但它是可伸縮和可擴展的體系結構的好例子。文件系統(tǒng)體系結構已經發(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)和許多目標存儲設備類型。由于使用了基于插件的體系結構和多層的函數間接性，Linux 文件系統(tǒng)在近期的發(fā)展很值得關注。
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