简单虚拟文件系统的设计与实现

简单虚拟文件系统的设计与实现

                                                                                                      -----云风Windsoul源码剖析

 

       虚拟文件系统（VFS）是由Sunmicrosystems公司在定义网络文件系统(NFS)时创造的。它是物理文件系统与服务之间的一个接口层，是对整个操作系统每个文件系统的抽象，因此，严格的说，它并不是具体的文件系统。它存在于内存中，不存在任何外存空间。

       无意中阅读到云风在github上的Windsoul源码，感受到了高手代码的扎实，也体会到了思考后的设计之美。虽然早前Linux已实现了VFS，但对于初学者来说过于复杂且需要丰富的阅读Linux源码的经验，每每想到剖析某文件系统的痛苦，内心总有些许气馁。通常情况下，阅读代码往往比写代码来得困难得多。因此，培养良好的阅读兴趣，懂得欣赏他人优秀的设计艺术显得尤为重要了。

一、初始化

        阅读代码的关键在于确定在何处开始阅读。大部分时间内我们选择从代码的初始化开始。

虚拟文件系统虽然不同于具体文件系统，但基本原理是一致的，包括初始化。对于一个文件系统，要想使用它，必须得先知道它的根目录。Windsoul是通过VfsInit函数进行初始化的。如下

Int VfsInit(void){      vfsMount(“_”,”native”,”.”);}

函数vfsMount的主要流程是首先取得”.”的绝对路径，然后为nativefs结构体变量fs分配内存，fs->sz的值为该路径的字符串大小，fs->root存储该路径。好，我们先放下源码仔细思考一下，既然我们保存了某个路径的信息，我们该如何操作它呢？答案是多种的，可读、可写、可定位等等。如果将这些信息进行汇编，就可以得到一个文件系统的基本数据结构。云风是这么定义的：

struct filesystem {       void * fs;       int (*list)(void *fs,const char *name, atom *buffer, int sz);       int (*chsize)(void *fs,const char *name, size_t sz);       int (*create)(void*fs,const char *name, char mode);       size_t (*size)(void *fs, const char *name);       int (*read)(void *fs ,const char *name, size_t pos, void *buffer, int sz);  int (*write)(void *fs , const char *name,size_t pos, const void *buffer, int sz);};

其中fs指向的是刚才填充的nativefs类型变量fs。

vfsMount函数会将struct filesystem * fs进行填充：

fs = memoryPermanent(sizeof(*fs));             memset(fs,0,sizeof(*fs));             fs->fs = f;             fs->list = nativefsList;             fs->create = nativefsCreate;             fs->read = nativefsRead;

接着，会调用void pathMount(const char * root, struct filesystem *fs)函数，将刚才的fs作为实参传进去。这个函数将实现文件的挂载。

我们现在看看他是怎样实现的。首先，他维护了一个struct map *g_fs全局变量：

struct map {      int freenode;      int size;      struct node* buffer;};

Freenode指向可用的文件节点首地址，size表示，buffer则指向了一片空间，该空间存储着各个文件节点。而这些节点的数据结构是：

struct node {      struct value *value;      struct key *key;      struct node *next;};

通过这个结构体可知，各个文件节点形成了一个单链表。Key存储的是路径的哈希值，value指向的是该文件节点的struct filesystem类型的文件句柄。

因此，pathMount函数的实现如下：

voidpathMount(const char * root, struct filesystem *fs){      struct map_op op;      op.op = MAP_INSERT;      op.key.p = atomString(root);      op.value = fs;      void * old = mapSearch(g_fs,&op);      if (old!=NULL) {             logFatal("%s is alreadymounted.",atomToString(op.key.p));      }}

函数mapSearch是将文件句柄插入到buffer指向的哈希表中。原理图如下：

二、vfsOpen函数操作

既然我们已经得到了一个系统初始化的结构体，那么操作就变得简单了。这里只是拿vfsOpen函数作示范，其他操作类似，不在赘述。

假设我们要在当前目录下新建一个文件“a/b.dat”，那么我们该怎么做呢？当然我们先得到b.dat文件名，其次是得到目录a。Windsoul维护了两个哈希表，一个为上图所示，一个为存储目录的哈希表，下图所示：

文件夹a首先跟struct hash_string中的str值进行比较，也就是跟最近使用的目录比较。如果相等，则返回该哈希表项；如果不成功，则将a填充到str里，作为当前使用的目录。最后，将a重新进行一次哈希，在全局变量g_fs维护的哈希表中找到其所对应的struct filesystem fs句柄，最后进行具体的文件操作。

struct file {      struct filesystem *fs;      const char * name;      size_t size;      size_t pos;      int mode;}; struct file *vfsOpen(atom pathname, const char * m){      const char *name=NULL;      struct filesystem * fs = pathGet(pathname,&name);      if (fs == NULL)             return NULL;      int mode = 0;      if (strchr(m,'r')) {             mode |= MODE_READ;             if (fs->read == NULL)                    return NULL;      }      if (strchr(m,'w')) {             mode |= MODE_WRITE;             if (fs->write == NULL)                    return NULL;      }      if (mode & (MODE_WRITE|MODE_READ)) {             if(!fs->create(fs->fs,name,'q')) {                    if(!fs->create(fs->fs,name,'c')) {                           return NULL;                    }             }      } else if (mode & MODE_WRITE) {             if(!fs->create(fs->fs,name,'c')) {                    return NULL;             }      } else if (mode & MODE_READ) {             if(!fs->create(fs->fs,name,'q')) {                    return NULL;             }      } else {             return NULL;      }       size_t sz = fs->size(fs->fs,name);      if (sz == NONE_EXIST) {             return NULL;      }      struct file *f = memoryAlloc(sizeof(structfile));      f->fs = fs;      f->name = name;      f->size = sz;      f->pos = 0;      f->mode = mode;      return f;}

关键操作是pathGet函数。它的功能就是实现在g_map中修改其当前目录，并在g_fs找到struct filesystem类型的文件句柄，最后产生一个文件。

 

三、其他

Windsoul的其他操作无非是修改g_map所对应的当前目录字符，这里就不一一阐述了，而整个文件系统是对读写文件的一次包装，这样有利于安装我们常人的思维操作文件，这个概念跟内存管理（如内存池）是一致的。

如果在细细回味这些代码，你会发现一些具体力道的设计。当然这些设计是有根据的，比如整个项目中都穿插这原子（Atom）的概念，其实这里是引自《C语言接口与设计》的某些内容。这里给我们的启示是平时多阅读代码，起码多阅读一些书籍，并且学以致用，有自己的思考，只有这样才能达到高手的境界。