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深入linux文件系统--VFS主要数据结构及之间的关系_linux i_mapping

作者：我家小花儿 | 2024-02-28 18:37:29

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linux i_mapping

1 VFS 文件系统

计算机体系由三个部分组成：计算，存储，网络，体现了物体流转的三个方面。

生产酒也是这样的一个过程，首先是收割小麦，将小麦发酵蒸馏形成了酒（处理），然后装在瓶子里，运送到仓库（传输）。最后将所有的酒存在仓库里（存储）

物理设备比如磁盘可以看作是土地，有了土地之后并不能使用，它还无法存储酒。需要在土地上建立仓库，并给每一个仓库通电，编号。这个过程可以理解为建立文件系统的过程。文件系统建立以后就可以往里面存酒了。什么样的酒存在哪个仓库需要有管理人员记录在本子上。当然仓库在存储的时候不一定存的都是酒，也可能存一些箱子，或者是小麦。

虚拟文件系统可以理解为建造仓库的标准。建造仓库的时候我们会告诉施工队，我要实现的功能有哪些，比如我希望仓库可以存储5吨的货物，仓库要有一个自动门，汽车来到验证车牌可以放行，仓库内部的温度要保存在5度左右。只要满足这几个要求和标准即可。至于施工队用什么样的材料建造房屋。用的是铁门还是合金门，都不是使用仓库的人要考虑的。

而在VFS则定义了虚拟文件系统，这个东西类似于建造仓库的标准。有了标准之后，所有的文件系统都需要按照这种标准来构建文件系统。

从上图可以看到，虚拟机文件系统介于具体的文件系统和C语言标准库之间，有了VFS之后，所有按照VFS接口开发的文件系统都可以接入linux，标准的接口提供了标准的操作，接口的设计理念一致贯穿于整个编程科学的发展。

2 VFS关键数据结构及关系

上面是虚拟文件系统的一个概览，虚拟文件系统定义了通用接口，所有具体的文件系统都必须实现这样的结构。task_struct是进程描述符，里面记录了进程的相关信息。一个进程可能操作某个文件，因此，task_struck成员内部有一个files，filtes对应files_struct里面记录了所有打开的file，file于file之间通过双向链表组织起来。

file内部包含了d_dentry，也就是目录项，通过目录项可以找到对应的inode，inode记录了文件的权限和属性。进程在操作文件的时候需要用到权限和属性，比如判断某个进程对某个文件是不是有写权限。inode里面有一个成员i_mapping，对应address_space。其中的i_mapping域指向一个address_space结构。这样，一个文件就对应一个address_space结构，一个 address_space与一个偏移量能够确定一个page cache 或swap cache中的一个页面。至于什么是page cache和swap cache可以

查阅相关知识。以上就是VFS组件相互之间的关系，下面看看每一个具体的组件。

super_block

是文件系统的心脏，它存储了文件系统的全局信息，如硬盘已用空间，数据块可用空间。

文件系统所有的inode信息都链接到超级块上, 如下所示是超级块的数据结构，下面节选某些关键信息。

  1. struct super_block {
  2.    struct list_head   s_list;       /* Keep this first */
  3.    dev_t        s_dev;    /* search index; _not_ kdev_t */
  4.    unsigned char     s_blocksize_bits;
  5.    unsigned long     s_blocksize;
  6.    loff_t       s_maxbytes;    /* Max file size */
  7.    struct file_system_type    *s_type;
  8.    ………..
  9.    unsigned int      s_quota_types; /* Bitmask of supported quota types */
  10.    struct quota_info  s_dquot;   /* Diskquota specific options */
  11.  
  12.    struct sb_writers  s_writers;
  13.    void         *s_fs_info;    /* Filesystem private info */
  14.  
  15.    /* Granularity of c/m/atime in ns (cannot be worse than a second) */
  16.    u32          s_time_gran;
  17. #ifdef CONFIG_FSNOTIFY
  18.    __u32        s_fsnotify_mask;
  19.    struct fsnotify_mark_connector __rcu   *s_fsnotify_marks;
  20. #endif
  21.  
  22.    char         s_id[32];  /* Informational name */
  23.    uuid_t       s_uuid;       /* UUID */
  24.  
  25.    unsigned int      s_max_links;
  26.    fmode_t          s_mode;
  27.    struct mutex s_vfs_rename_mutex;   /* Kludge */
  28.    char *s_subtype;
  29.  
  30.    const struct dentry_operations *s_d_op; /* default d_op for dentries */
  31.    struct user_namespace *s_user_ns;
  32.    struct list_head   s_inodes;  /* all inodes */
  33.  
  34.    spinlock_t    s_inode_wblist_lock;
  35.    struct list_head   s_inodes_wb;   /* writeback inodes */
  36. }

s_blocksize 代表文件系统的大小。

s_inodes 代表了所有的inode。

s_type 代表文件系统的类型。

Inode

代表一个具体的文件, 包含文件的大小，创建时间，文件的块大小等数据，以及对文件的读写函数，文件的读写缓存信息等。看一下inode的数据结构，这里只保留一些关键的数据信息，其他一些都去掉了。

  1. struct inode {
  2.     umode_t            i_mode;
  3.     unsigned short        i_opflags;
  4.     kuid_t            i_uid;
  5.     kgid_t            i_gid;
  6.     unsigned int        i_flags;
  7.     const struct inode_operations    *i_op;
  8.     struct super_block    *i_sb;
  9.     struct address_space    *i_mapping;
  10.     unsigned long        i_ino;
  11.    {
  12.         const unsigned int i_nlink;
  13.         unsigned int __i_nlink;
  14.     };
  15.  
  16.     /* Misc */
  17.     unsigned long        i_state;
  18.     struct rw_semaphore    i_rwsem;
  19.  
  20.     unsigned long        dirtied_when;    /* jiffies of first dirtying */
  21.     unsigned long        dirtied_time_when;
  22.  
  23.     struct hlist_node    i_hash;
  24.     struct list_head    i_io_list;    /* backing dev IO list */
  25.     struct list_head    i_lru;        /* inode LRU list */
  26.     struct list_head    i_sb_list;
  27.     struct list_head    i_wb_list;    /* backing dev writeback list */
  28.     const struct file_operations    *i_fop;    /* former ->i_op->default_file_ops */
  29.     struct file_lock_context    *i_flctx;
  30.     struct address_space    i_data;
  31.     struct list_head    i_devices;
  32.     union {
  33.         struct pipe_inode_info    *i_pipe;
  34.         struct block_device    *i_bdev;
  35.         struct cdev        *i_cdev;
  36.         char            *i_link;
  37.         unsigned        i_dir_seq;
  38.     };
  39.  
  40.     __u32            i_generation;
  41.  
  42.     void            *i_private; /* fs or device private pointer */
  43.     。。。。。。。
  44.  
  45. }

链表其实是linux中组织数据非常常用的数据结构，这个结构里面有三个链表头。

i_mapping是非常重要的一个结构，描述了文件地址。

block_device描述对应的块设备(块设备可以被看作一个文件系统来处理)。

inode_operations，该结构体定义了对文件的操作（如下代码所示），可以看到有获取属性，设置属性，重新命名等操作

i_mode，主要作用是用来区分文件类型，比如块设备，字符设备，目录, socket等。

super_block，指向超级块，也就是表示文件系统基本信息的数据结构。

  1. struct inode_operations {
  2.    struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, unsigned int);
  3.    const char * (*get_link) (struct dentry *, struct inode *, struct delayed_call *);
  4.    int (*permission) (struct inode *, int);
  5.    struct posix_acl * (*get_acl)(struct inode *, int);
  6.  
  7.    int (*readlink) (struct dentry *, char __user *,int);
  8.  
  9.    int (*create) (struct inode *,struct dentry *, umode_t, bool);
  10.    int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
  11.    int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
  12.    int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
  13.    int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,umode_t);
  14.    int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
  15.    int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,umode_t,dev_t);
  16.    int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,
  17.          struct inode *, struct dentry *, unsigned int);
  18.    int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
  19.    int (*getattr) (const struct path *, struct kstat *, u32, unsigned int);
  20.    ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
  21.    int (*fiemap)(struct inode *, struct fiemap_extent_info *, u64 start,
  22.             u64 len);
  23.    int (*update_time)(struct inode *, struct timespec64 *, int);
  24.    int (*atomic_open)(struct inode *, struct dentry *,
  25.             struct file *, unsigned open_flag,
  26.             umode_t create_mode);
  27.    int (*tmpfile) (struct inode *, struct dentry *, umode_t);
  28.    int (*set_acl)(struct inode *, struct posix_acl *, int);
  29. }
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dentry

目录项对象，代表一个目录项。目录项反应了文件系统的树状结构，目前主流的操作系统基本都是用树状结构来组织文件的。linux也不例外。dentry表示一个目录项，目录项下面又有子目录。

  1. struct dentry {
  2.    /* RCU lookup touched fields */
  3.    unsigned int d_flags;     /* protected by d_lock */
  4.    seqcount_t d_seq;     /* per dentry seqlock */
  5.    struct hlist_bl_node d_hash;   /* lookup hash list */
  6.    struct dentry *d_parent;   /* parent directory */
  7.    struct qstr d_name;
  8.    struct inode *d_inode;    /* Where the name belongs to - NULL is
  9.                 * negative */
  10.    unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN];   /* small names */
  11.  
  12.    /* Ref lookup also touches following */
  13.    struct lockref d_lockref;  /* per-dentry lock and refcount */
  14.    const struct dentry_operations *d_op;
  15.    struct super_block *d_sb;  /* The root of the dentry tree */
  16.    unsigned long d_time;     /* used by d_revalidate */
  17.    void *d_fsdata;          /* fs-specific data */
  18.  
  19.    union {
  20.       struct list_head d_lru;       /* LRU list */
  21.       wait_queue_head_t *d_wait; /* in-lookup ones only */
  22.    };
  23.    struct list_head d_child;  /* child of parent list */
  24.    struct list_head d_subdirs;    /* our children */
  25.    /*
  26.     * d_alias and d_rcu can share memory
  27.     */
  28.    union {
  29.       struct hlist_node d_alias; /* inode alias list */
  30.       struct hlist_bl_node d_in_lookup_hash; /* only for in-lookup ones */
  31.       struct rcu_head d_rcu;
  32.    } d_u;
  33. }

d_inode 这个成员志向inode，

super_block 指向对应的超级块。

dentry_operations 这个成员指向dentry对应的操作，如下所示

  1. struct dentry_operations {
  2.    int (*d_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);
  3.    int (*d_weak_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);
  4.    int (*d_hash)(const struct dentry *, struct qstr *);
  5.    int (*d_compare)(const struct dentry *,
  6.          unsigned int, const char *, const struct qstr *);
  7.    int (*d_delete)(const struct dentry *);
  8.    int (*d_init)(struct dentry *);
  9.    void (*d_release)(struct dentry *);
  10.    void (*d_prune)(struct dentry *);
  11.    void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
  12.    char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
  13.    struct vfsmount *(*d_automount)(struct path *);
  14.    int (*d_manage)(const struct path *, bool);
  15.    struct dentry *(*d_real)(struct dentry *, const struct inode *);
  16. }

File

文件对象，代表进程打开的文件，描述的是进程和文件之间的关系。一个文件，在不同的进程中有不同的文件对象，如下图是文件的数据结构

从文件操作的角度来看文件系统不同结构体之间的关系。

文件系统的主要目的是解决用户对文件的操作，包括创建，删除，修改，存放。操作文件需要在内核中创建相对应的进程，有了进程之后，需要知道进程操作的文件是什么。那么反应进程和文件之间关系的就是file。file是实际发生操作时创建出来的对象，存储在内存里。file内部保存着文件的dentry，也就是目录项，除此之外还保存着file_operation，也就是对文件的读写，打开等操作。通过dentry还可以找到inode，那么就可以对inode执行mkdir等操作。super_block代表了一个文件系统，以及文件了解一个文件系统所需的基本数据。

参考资料：

文件系统详解

《鸟哥的linux私房菜》

《深入linux内核架构》

《linux内核探秘》

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