2021SC@SDUSC

上一条博文已经讲过，除了本身的Ext2之外，Linux支持多种文件系统（Ext4，FAT等），用户可以通过一个文件系统界面（系统调用）来操作不同的文件系统。从用户的角度看，我们并不需要关注文件系统的类型以及怎么进行具体的操作，这就是虚拟文件系统（VFS）。VFS为用户提供了一组系统调用，如读写文件reed()、write()以及移动文件指针lseek()等。

那么，内核与不同的文件系统的接口是怎么实现的呢？

这就要提到include\Linux文件夹下fs.h文件中的file_operations数据结构。

struct file_operations {

   struct module *owner;

   loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

   ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

   ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

   ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);

   ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);

   int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, bool spin);

   int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);

   int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);

   __poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

   long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

   long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

   int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

   unsigned long mmap_supported_flags;

   int (*open) (struct inode *, struct file *);

   int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

   int (*release) (struct inode *, struct file *);

   int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);

   int (*fasync) (int, struct file *, int);

   int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

   ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);

   unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

   int (*check_flags)(int);

   int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);

   ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);

   ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);

   int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);

   long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,

            loff_t len);

   void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);

#ifndef CONFIG_MMU

   unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);

#endif

   ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,

          loff_t, size_t, unsigned int);

   loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,

                 struct file *file_out, loff_t pos_out,

                 loff_t len, unsigned int remap_flags);

   int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);

}

不难发现，该结构体内几乎全都是函数指针，具体到每一个文件系统，均需实现自己的file_operations。比如，write就指向该文件系统的用来实现写文件操作的函数。

每个进程通过open()与具体的文件建立起一个读写联系。在代表进程的task_struct数据结构中有两个指针，分别是代表文件系统信息的fs_struct和代表已打开文件信息的files_struct。

在fs_struct结构体中：

struct fs_struct {

   atomic_t count;

   rwlock_t lock;

   int umask;

   struct dentry * root, * pwd, * altroot;

   struct vfsmount * rootmnt, * pwdmnt, * altrootmnt;

};

root，pwd，altroot这三个指针指向结构体dentry，而dentry记录的是目录项，所以root代表的是进程的根目录，pwd代表的是进程当前的目录， altroot代表的是替换根目录。实际上，这三个目录不一定安装在同一个文件系统中，所以用rootmnt，pwdmnt和altrootmnt这三个指针指向对应的vfsmount数据结构。

在files_struct结构体中：

struct files_struct {

  /*

   * read mostly part

   */

   atomic_t count;

   bool resize_in_progress;

   wait_queue_head_t resize_wait;



   struct fdtable __rcu *fdt;

   struct fdtable fdtab;

  /*

   * written part on a separate cache line in SMP

   */

   spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;

   unsigned int next_fd;

   unsigned long close_on_exec_init[1];

   unsigned long open_fds_init[1];

   unsigned long full_fds_bits_init[1];

   struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];

};

files_struct结构体的主要内容就是file结构体数组，每一个file结构体保存的是进程已经打开的文件相关信息。

在file结构体中：

struct file {

   union {

       struct llist_node fu_llist;

       struct rcu_head   fu_rcuhead;

   } f_u;

   struct path       f_path;

   struct inode      *f_inode;  /* cached value */

   const struct file_operations    *f_op;



   /*

    * Protects f_ep, f_flags.

    * Must not be taken from IRQ context.

    */

   spinlock_t    f_lock;

   enum rw_hint      f_write_hint;

   atomic_long_t     f_count;

   unsigned int      f_flags;

   fmode_t           f_mode;

   struct mutex      f_pos_lock;

   loff_t        f_pos;

   struct fown_struct   f_owner;

   const struct cred *f_cred;

   struct file_ra_state f_ra;



   u64        f_version;

#ifdef CONFIG_SECURITY

   void          *f_security;

#endif

   /* needed for tty driver, and maybe others */

   void          *private_data;



#ifdef CONFIG_EPOLL

   /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */

   struct hlist_head *f_ep;

#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */

   struct address_space *f_mapping;

   errseq_t      f_wb_err;

   errseq_t      f_sb_err; /* for syncfs */

}

f_op指针指向该文件所属文件系统的file_operation结构体，通过file可以知道如何对该文件进行操作。f_dentry指针指向该文件的dentry数据结构，记录了该文件的目录。

总结

Linux通过VFS提供一组约定的数据结构（dentry、inode等），在进程与某一个文件建立联系open之后被初始化。虽然不同文件系统的实现细节不同，但是他们都会有实现类似功能的具体数据结构。