Linux操作系统分析与实践

Linux操作系统分析与实践第五讲：文件管理《Linux操作系统分析与实践》课程建设小组北京大学二零零八年春季*致谢：感谢Intel对本课程项目的资助本讲主要内容•虚拟文件系统VFS•Ext2文件系统文件管理器设备驱动磁盘设备API文件API传统文件系统文件管理器设备驱动磁盘POSIX文件APIPOSIX文件APILinux文件系统设备独立转换器虚拟文件系统•内核软件层，在内核中提供一个文件系统框架（接口函数集、管理用的数据结构、各种缓存机制）•为各种文件系统提供通用接口Linux文件管理系统调用接口VFS开关Ext2文件系统VFAT文件系统NFS文件系统Proc文件系统虚拟文件系统（续）•支持的文件系统可分为三类–基于磁盘的文件系统•e.gVFAT、NTFS、ISO9660CDROM…–网络文件系统•e.gNFS、Coda…–特殊文件系统•不管理磁盘空间,e.g/proc•所有的文件系统都可以安装到根系统的子目录中通用文件模型•用于表示所有支持的文件系统，由以下对象类型组成–超级块对象：存放已安装文件系统信息–索引节点对象：存放文件信息，每个索引节点对象的索引节点号唯一地标识了文件系统中的文件–文件对象：存放打开文件与进程间交互的信息–目录项对象：存放目录项与文件进行链接的信息•同时VFS还使用了磁盘高速缓存（软件机制），将常用的目录项对象放在目录项高速缓存中通用文件模型（续）•这个模型是对要支持的文件系统的一种抽象，对于UNIX系列的，直接就可以很好地支持；对于没有目录文件的文件系统，比如FAT系列，Linux需要能够快速建立对应于目录的文件•可以将VFS看成一种通用文件系统，它位于应用程序和具体文件系统之间，提供了一层通用的接口，它在必要时依赖具体的文件系统通用文件模型（续）VFS数据结构•描述各对象的数据结构–超级块对象super_block–索引节点对象inode–文件对象file–目录项对象dentry超级块对象•超级块对象structsuper_block{structlist_heads_list;/*Keepthisfirst*/kdev_ts_dev;unsignedlongs_blocksize;unsignedchars_blocksize_bits;unsignedchars_dirt;unsignedlonglongs_maxbytes;/*Maxfilesize*/structfile_system_type*s_type;structsuper_operations*s_op;structdquot_operations*dq_op;...structlist_heads_files/*分配给超级块的文件对象链表*/};•所有超级块对象由循环双链表组成，首元素s_list•超级块操作在s_op中超级块对象（续）structsuper_operations{void(*read_inode)(structinode*);void(*read_inode2)(structinode*,void*);void(*dirty_inode)(structinode*);void(*write_inode)(structinode*,int);void(*put_inode)(structinode*);void(*delete_inode)(structinode*);void(*put_super)(structsuper_block*);void(*write_super)(structsuper_block*);void(*write_super_lockfs)(structsuper_block*);void(*unlockfs)(structsuper_block*);int(*statfs)(structsuper_block*,structstatfs*);int(*remount_fs)(structsuper_block*,int*,char*);void(*clear_inode)(structinode*);void(*umount_begin)(structsuper_block*);structdentry*(*fh_to_dentry)(structsuper_block*sb,__u32*fh,intlen,intfhtype,intparent);int(*dentry_to_fh)(structdentry*,__u32*fh,int*lenp,intneed_parent);int(*show_options)(structseq_file*,structvfsmount*);};主要的操作对象：i节点、超级块、文件系统索引节点对象structinode{structlist_headi_hash;structlist_headi_list;structlist_headi_dentry;...unsignedlongi_ino;/*索引节点号*/atomic_ti_count;/*引用计数器*/…unsignedlongi_nrpages/*包含文件数据的页数*/...structinode_operations*i_op;/*索引节点的操作*/wait_queue_head_ti_wait;/*索引节点等待队列*/structfile_lock*i_flock;/*指向文件锁链表的指针*/structaddress_space*i_mapping;/*共享内存中使用的address_space指针*/structaddress_spacei_data;/*块设备的address_space对象*/...structpipe_inode_info*i_pipe;...structblock_device*i_bdev;/*指向块设备驱动程序*/structchar_device*i_cdev;/*指向字符设备驱动程序*/...unsignedchari_sock;/*文件是否是套接字*/…};索引节点对象（续）•分为三类，每一类均组织成双向循环链表，由inode.i_list连接–未使用的索引节点–正在使用的索引节点–脏索引节点•索引节点对象组织成inode_hashtable散列表，冲突的节点组成链表，由inode.i_hash连接索引节点对象（续）structinode_operations{int(*create)(structinode*,structdentry*,int);structdentry*(*lookup)(structinode*,structdentry*);int(*link)(structdentry*,structinode*,structdentry*);int(*unlink)(structinode*,structdentry*);int(*symlink)(structinode*,structdentry*,constchar*);int(*mkdir)(structinode*,structdentry*,int);int(*rmdir)(structinode*,structdentry*);int(*mknod)(structinode*,structdentry*,int,int);int(*rename)(structinode*,structdentry*,structinode*,structdentry*);int(*readlink)(structdentry*,char*,int);int(*follow_link)(structdentry*,structnameidata*);void(*truncate)(structinode*);int(*permission)(structinode*,int);int(*revalidate)(structdentry*);int(*setattr)(structdentry*,structiattr*);int(*getattr)(structdentry*,structiattr*);int(*setxattr)(structdentry*,constchar*,void*,size_t,int);ssize_t(*getxattr)(structdentry*,constchar*,void*,size_t);ssize_t(*listxattr)(structdentry*,char*,size_t);int(*removexattr)(structdentry*,constchar*);};目录项对象相关的文件的索引节点的创建、查找、修改、删除文件对象•文件对象在磁盘上没有映像，在文件被打开时创建•文件对象也分为三类，每类是双向循环链表，由file.f_list连接–未使用的文件对象，首元素free_list–还未分配给超级块的在使用的文件对象，首元素anon_list–分配给超级块的在使用的文件对象，首元素为super_block.s_files文件对象（续）structfile{structlist_headf_list;/*Pointersforgenericfileobjectlist*/structdentry*f_dentry;/*dentryobjectassociatedwiththefile*/structvfsmount*f_vfsmnt;/*Mountedfilesystemcontainingthefile*/structfile_operations*f_op;/*Pointertofileoperationtable*/atomic_tf_count;/*Fileobject'susagecounter*/...loff_tf_pos;/*Currentfileoffset(filepointer)*/...void*private_data;/*Neededforttydriver*/...structkiobuf*f_iobuf;/*Descriptorfordirectaccessbuffer*/longf_iobuf_lock;/*LockfordirectI/Otransfer*/};文件对象（续）structfile_operations{structmodule*owner;loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t(*write)(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);unsignedint(*poll)(structfile*,structpoll_table_struct*);int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);/*Sendsacommandtoanunderlyinghardwaredevice*/int(*mmap)(structfile*,structvm_area_struct*);int(*open)(structinode*,structfile*);int(*flush)(structfile*);int(*release)(structinode*,structfile*);int(*fsync)(structfile*,structdentry*,intdatasync);int(*fasync)(int,structfile*,int);int(*lock)(structfile*,int,structfile_lock*);ssize_t(*readv)(structfile*,conststructio