一切都是文件： VFS

文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，類似 抽象基類，面向?qū)ο蟮乃枷搿?/p>

虛函數(shù)都必須由底層派生出的實(shí)例實(shí)現(xiàn)，使用成員函數(shù) file_operations。在linux里面的文件操作，底層都要實(shí)現(xiàn)file_operations，抽象出owner，write，open，release。所以，無(wú)論是字符塊，還是文件系統(tǒng)的文件，最終操作就必須是file_operations。

例如，實(shí)現(xiàn)一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，就是去實(shí)現(xiàn)file_operations。VFS_read時(shí)就會(huì)調(diào)用字符設(shè)備的file_operations。

字符設(shè)備文件、塊設(shè)備文件

塊設(shè)備的兩種訪問(wèn)方法，一是訪問(wèn)裸分區(qū)，二是訪問(wèn)文件系統(tǒng)。

當(dāng)直接訪問(wèn)裸分區(qū)，是通過(guò)fs/block_dev.c 中的 file_operations def_blk_fops，也有read,write,open，一切繼承到file_operations。如果是訪問(wèn)文件系統(tǒng)，就會(huì)通過(guò)實(shí)現(xiàn) {ext4}_file_operations 來(lái)對(duì)接VFS對(duì)文件的操作。

塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)就不需要知道file_operations，無(wú)論是裸設(shè)備，還是文件系統(tǒng)的file。他們實(shí)現(xiàn)的file_operations是把linux中的各種設(shè)備，hook進(jìn) VFS的方法。

文件最終如何轉(zhuǎn)化成對(duì)磁盤的訪問(wèn)？

file_operation 跟pagecache 以及硬盤的關(guān)系？

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整個(gè)文件系統(tǒng)里，除了放文件本身的數(shù)據(jù)，還包括文件的管理數(shù)據(jù)，包括：

• super block，保存在全局的 superblock結(jié)構(gòu)中。
• inode，是文件的唯一特定標(biāo)識(shí)，文件系統(tǒng)使用bitmap來(lái)標(biāo)識(shí)，inode是否使用。
• block bitmap，來(lái)表示這些block是否占用，它在改變文件大小，創(chuàng)建刪除等操作時(shí)，都會(huì)改變。
• inode table/diagram ： bitmap 只是表示inode和block是否被占用。

超級(jí)塊、目錄、inode

• file_system_type 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 指的是 文件系統(tǒng)的類型，mount/umount 的時(shí)候會(huì)用。
• superblock數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：包含super_operations，其中包含如何分配/銷毀一個(gè)inode。
• inode 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：包含 inode_operations 和 file_operations。

file_operations里面記錄這種類型的文件，包含哪些操作。 inode_operations里面包含如何生成新的inode，根據(jù)文件名字找到inode，如何mkdir,unlink.

• dentry 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu): 對(duì)應(yīng)路徑，目錄在文件系統(tǒng)里面是一個(gè)特殊的文件，文件的內(nèi)容是一個(gè)inode和文件的表格。
• file 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

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• inode表：包含文件的一些基本信息，大小，創(chuàng)建日期，屬性。還有一些成員指向硬盤所在的位置。 申請(qǐng)slab區(qū)域，比如 ext4_inode_cache , ext3_inode_cache. 這些cache會(huì)創(chuàng)建單獨(dú)的slab，這些slab和內(nèi)存里的page一一對(duì)應(yīng)。

ext2/ext4文件系統(tǒng)中存在間接映射表。

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硬盤里的inode diagram里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在內(nèi)存中會(huì)通過(guò)slab分配器，組織成 xxx_inode_cache，出現(xiàn)在meminfo的可回收的內(nèi)存。 inode表也會(huì)記錄每一個(gè)inode 在硬盤中擺放的位置。

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目錄的組織

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目錄在硬盤里是一個(gè)特殊的文件，和之前的file結(jié)構(gòu)體不同。目錄在硬盤中對(duì)應(yīng)一個(gè)inode，記錄文件的名字和inode號(hào)。查找一個(gè)文件時(shí)，文件系統(tǒng)的 根inode和目錄，根據(jù)根目錄和根inode，找到根目錄所在硬盤的位置。再去做字符串匹配，就能夠找到 /A/B/ 。inode表也會(huì)記錄每一個(gè)inode 在硬盤中擺放的位置。

icache和dcache，slab shrink

文件系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)時(shí)，在vfs這一層的 inode cache 和 dentry cache，不管硬盤的系統(tǒng)，還是所有文件系統(tǒng)的通用信息。

針對(duì)這些cache，這些可以回收的slab，linux提供了專門的slab shrink- 收縮函數(shù)。
最后所有可回收的內(nèi)存，都必須通過(guò)LRU算法去回收。
有些自己申請(qǐng)的 reclaim的內(nèi)存，由于沒(méi)有寫 shrink函數(shù)，所以就無(wú)法進(jìn)行內(nèi)存的回收。

文件讀寫如何通過(guò)file_operation 和pagecache的關(guān)系

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發(fā)現(xiàn)并讀取/usr/bin/xxx的全流程

如上圖，當(dāng)你在硬盤上查找 /usr/bin/emacs文件時(shí)，從根的inode和dentry，根據(jù)/的inode表，找到/ 目錄文件所在的硬盤中的位置，讀硬盤/目錄文件的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn) usr 對(duì)應(yīng)inode 2, bin 對(duì)應(yīng)inode 3, share 對(duì)應(yīng)inode4。再去查inode表，inode 2所在硬盤的位置，即/usr 目錄文件所在硬盤的位置。讀出內(nèi)容包括 var 對(duì)應(yīng) inode 10, bin 對(duì)應(yīng)inode 11, opt對(duì)應(yīng)inode 12，。

這個(gè)過(guò)程會(huì)查找很多inode和 dentry，這些都會(huì)通過(guò) icache 和dcache緩存。

符號(hào)鏈接 與 硬鏈接

文件名是特殊目錄文件的內(nèi)容，比如 A目錄下有b\c\d，其實(shí)就是 A這個(gè)目錄文件，里面對(duì)應(yīng)目錄b,c,d和對(duì)應(yīng)inode的表。

硬鏈接：在硬盤中是同一個(gè)inode存在，在目錄文件中多了一個(gè)目錄和inode對(duì)應(yīng)。

符號(hào)鏈接：是linux中是真實(shí)存在的實(shí)體文件，文件內(nèi)容指向 其他文件。符號(hào)鏈接和文件是不同的inode。

1、硬鏈接不能跨本地文件系統(tǒng)
2、硬鏈接不能針對(duì)目錄
3、針對(duì)目錄的軟鏈接，用rm -fr 刪除不了目錄里的內(nèi)容
4、針對(duì)目錄的軟鏈接，"cd .."進(jìn)的是軟鏈接所在目錄的上級(jí)目錄
5、可以對(duì)文件執(zhí)行unlink或rm，但是不能對(duì)目錄執(zhí)行unlink

用戶空間的文件系統(tǒng)： FUSE

用戶空間文件系統(tǒng) 是操作系統(tǒng)中的概念，指完全在用戶態(tài)實(shí)現(xiàn)的文件系統(tǒng)。

目前Linux通過(guò)內(nèi)核模塊對(duì)此進(jìn)行支持。一些文件系統(tǒng)如ZFS，glusterfs使用FUSE實(shí)現(xiàn)。

FUSE的工作原理如上圖所示。假設(shè)基于FUSE的用戶態(tài)文件系統(tǒng)hello掛載在/tmp/fuse目錄下。當(dāng)應(yīng)用層程序要訪問(wèn)/tmp/fuse下的文件時(shí)，通過(guò)glibc中的函數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，處理這些系統(tǒng)調(diào)用的VFS中的函數(shù)會(huì)調(diào)用FUSE在內(nèi)核中的文件系統(tǒng)；內(nèi)核中的FUSE文件系統(tǒng)將用戶的請(qǐng)求，發(fā)送給用戶態(tài)文件系統(tǒng)hello；用戶態(tài)文件系統(tǒng)收到請(qǐng)求后，進(jìn)行處理，將結(jié)果返回給內(nèi)核中的FUSE文件系統(tǒng)；最后，內(nèi)核中的FUSE文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)返回給用戶態(tài)程序。