文件系统---文件系统的基本概念

文件系统

        Linux内核的应用层是以 文件系统 为核心展开，以文件系统作为整个内核应用层的核心，理由如下：

--文件系统本身具有重大作用：

    分布式文件系统的广泛应用让文件系统成为当前内核应用的热门

--文件系统在整个内核架构中具有基础架构性质：

    字符设备、块设备 这些设备驱动 需要依靠文件系统来实现。设备管理的基础架构也要依靠文件系统(sysfs)。设备和驱动 是国内当前在内核层面应用，也是国内底层开发中应用最多的方面。

        从文件系统入手，掌握基本概念和实现架构后，可以从稳健系统引出设备文件的概念，设备文件可以引申到 字符设备 和 块设备，这样从 文件系统 过度到 设备管理。

        设备管理包含 设备驱动， 设备驱动要用到中断，设备里面的块设备又控制了 通用块层 和 I/O调度。 

        而文件系统向外引申又和网络的socket联系。

        深入文件系统的的代码，可以了解到内存的页面管理。

        从文件系统出发，层次推进基本囊括了内核的应用层的重要概念和架构。

2.1 文件系统的基本概念

        

2.1.1 VFS

        VFS------ VIrtual File System 虚拟文件管理系统

        linux内核通过虚拟文件系统(VFS)管理文件系统；

        VFS是linux内核文件系统的一个极其重要的基础设施，VFS为 所有的文件系统提供统一的接口，对每个文件系统的访问都需要通过VFS定义的接口来实现。同时，VFS也是一个极其重要的架构，所有的linux文件系统都必须按照VFS定义的方式来实现；

VFS存在于内存中，将硬盘上的文件系统抽象到内存中。

VFS定义了几个重要结构：

dentry、inode、super_block，通过这些结构将真实的硬盘文件系统抽象到内存。

通过管理dentry、inode、super_block这几个对象就可以完成对文件系统的一些操作-----合适的时候仍需要将内存数据写入到硬盘

2.1.2 超级块super_block

        超级块suoer_block代表整个文件系统本身。

超级块是对应文件系统本身的控制块结构【可参考ext2文件系统的超级块结构】。

超级块保存了文件系统设定的文件块大小，超级块的操作函数，文件系统内所有的inode也要链接到超级块的表头。

对于一个具体文件系统的控制块可能还含有另外的信息，通过超级块对象，可以找到这些必要的信息。

超级快的内容需要读取具体文件系统在硬盘上的超级块获得，所以超级块是具体文本系统超级块的内存抽象。

超级块对象整个结构很庞大庞杂，以下是超级块的简化后的定义：

---------------------------------------------------------------------------------------struct super_block{unsigned longs_blocksize;unsigned chars_blocksize_bit;......unsigned long longs_maxbytes;struct file_system_type*s_type;struct super_operations*s_op;unsigned longs_magic;struct dentry*s_root;struct list_heads_inodes;struct list_heads_dirty;struct block_device*s_bdev;void*s_fs_info;}

从两方面了解超级结构快的作用：

1）超级块结构给出了文件系统的全局信息

*s_blocksize ---指定了文件系统的大小

*s_maxbytes ---指定文件系统中最大文件的尺寸

*s_type          ---指向file_system_type结构的指针

*s_magic      ---魔术数字，每个文件系统都有一个魔术数字

*s_root ---指向文件 系统根dentry的指针

超级块还定义了一些链表头:

*s_inode ---指向文件系统内所有的iNode，通过他可以遍历inode对象

*s_dirty   ---指向所有dirty的inode对象

*s_block ---指向文件系统存在的块设备指针

2）超级块结构包含一些函数的指针

-------super_operation提供了最重要的超级块操作。

例如super_operation的成员函数read_inode提供读取inode信息的功能。

每个具体的文件系统需要提供这个函数来实现对inode信息的读取，例如ext2文件系统--具体函数是ext2_read_inode。

（我们可以理解为‘VFS提供了架构，具体文件系统按照VFS的架构实现’）

目录项dentry

----文件和目录一般按照树状结构保存。目录项【dentry】就反应了文件系统的这种树状关系。

---在VFS中，目录本身就是一个文件；

---------------------------------------------------------------------------

struct  dentry {

..../省略dentry锁、标志等代码/

struct inode *d_inode;

struct hlist_node d_hash;

struct dentry *d_parent;

struct qstr d_name;

/* d_child and d_rcu can share memory*/

union {

  struct list_head_d d_child;

  struct rcu_head d_rcu;

} d_u;

struct list_headd_subdirs;

struct dentry_operations*d_op;

struct super_block*d_sb;

int d_mounted;

}

---------------------------------------------------------------------------

对dentry的解释如下：

索引节点inode

---inode代表一个文件。inode保存了一个文件的大小、创建时间、文件的块大小等参数，以及文件的读写函数、文件的读写缓存等信息。

---文件只有一个inode，可以有多个dentry【指向文件的路径可以多个（考虑文件的链接）】。

inode和dentry分别代表文件通用的两个部分

inode结构定义十分庞大，简化重点的几个结构成员如下：

--------------------------------------------------------------------------------------

struct inode {

struct list_head i_list;

struct list_head i_sb_list;

struct list_head i_dentry;

unsigned long i_ino;

atomic_t i_count;

loff_t i_size;

unsigned int i_blkbits;

struct inode_operations *i_op;

const struct file_operation *i_fop;

struct address_space *i_mapping;

struct block_device *i_bdev;

......

};

--------------------------------------------------------------------------------------

inode 结构解释：

--i_list ： 链接描述inode当前状态的链表

--i_sb_list ：链接到超级块中的inode链表

***当创建一个新的inode的时候，成员i_list链接到inode_in_use这个链表【表示inode在使用状态】，同时成员i_sb_list链接到文件系统超级块的s_inode链表头。

--i_dentry ：一个文件有多个dentry，这些dentry都连接到成员i_dentry这个链表头

------i_ino ：inode的号

------i_count ：inode的引用计数

------i_size ：以字节为单位的文件长度

-i_blkbits ：文件块的位数

文件

文件对象的作用是描述 进程 和 文件 交互 的 关系；

硬盘上并不存在一个文件结构

进程打开一个文件，内核就动态创建一个文件对象

同一个文件，在不同进程中有不同的文件对象

文件的结构定义如下代码清单：

-------------------------------------------------------------------------

struct file {

  struct dentry *f_dentry;

  struct vfsmount *f_vfsmnt;

  const struct file_operation *f_op;

.......

  loff_t f_ops;

  struct fown_struct f_owner;

  usigned int f_uid,

  struct file_ra_state f_ra;

  

  struct address_space *f_mapping;

}

-------------------------------------------------------------------------

--f_ra ： 用于文件预读的设置---在第10章继续分析文件

注释：

文件预读：

--对于文件的预读，Linux内核提供了预读策略------比要求读的长度多读一些，存储在page cache里，后续读如果是顺序的，马上可以利用page cache的数据返回，不必再次读硬盘。对于硬盘这种慢速设备来说，利用缓存数据可以大大提升I/O传输效率。

内核提供默认的预读参数，代码清单如下：

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

struct  backing_dev_info  default_backing_dev_info = {

.ra_page=(VM_MAX_READAHEAD * 1024)  /  PAGE_CACHE_SIZE,

.state=0,

.capabilities=BDI_CAP_MAP_COPY,

.unplug_io_fn=default_unplug_io_fn,

}

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

linux-2.6.39\mm\backing-dev.c

struct backing_dev_info default_backing_dev_info = {.name= "default",.ra_pages= VM_MAX_READAHEAD * 1024 / PAGE_CACHE_SIZE,.state= 0,.capabilities= BDI_CAP_MAP_COPY,};

VM_MAX_READAHEAD 默认设置为128KB，即默认读取页面是32个4KB的页面。

Linux内核会根据文件读取是否顺序启动预读参数和设置预读窗口，对于连续的顺序读，会尽量多读一些内容填充page cache。

注--这部分的内容在readahead,c文件里面。文件不大，比较孤立，不涉及太多关联的知识点，可以分析一下预读代码