深入理解Linux文件系統(tǒng)之文件系統(tǒng)掛載(上)

時(shí)間：2021-07-02 06:40:27

關(guān)鍵字： Linux 文件系統(tǒng) 文件系統(tǒng)掛載

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]本文主要講解文件系統(tǒng)掛載核心邏輯，暫不涉及掛載命名空間和綁定掛載等內(nèi)容（后面的內(nèi)容可能會(huì)涉及），且以ext2磁盤文件系統(tǒng)為例講解掛載。

1.開場(chǎng)白

環(huán)境：處理器架構(gòu)：arm64內(nèi)核源碼：linux-5.11ubuntu版本：20.04.1代碼閱讀工具：vim ctags cscope

我們知道，Linux系統(tǒng)中我們經(jīng)常將一個(gè)塊設(shè)備上的文件系統(tǒng)掛載到某個(gè)目錄下才能訪問這個(gè)文件系統(tǒng)下的文件，但是你有沒有思考過：為什么塊設(shè)備掛載之后才能訪問文件？掛載文件系統(tǒng)Linux內(nèi)核到底為我們做了哪些事情？是否可以不將文件系統(tǒng)掛載到具體的目錄下也能訪問？下面，本文將詳細(xì)講解Linxu系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)掛載的奧秘。
注：本文主要講解文件系統(tǒng)掛載核心邏輯，暫不涉及掛載命名空間和綁定掛載等內(nèi)容（后面的內(nèi)容可能會(huì)涉及），且以ext2磁盤文件系統(tǒng)為例講解掛載。本專題文章分為上下兩篇，上篇主要介紹掛載全貌以及具體文件系統(tǒng)的掛載方法，下篇介紹如何通過掛載實(shí)例關(guān)聯(lián)掛載點(diǎn)和超級(jí)塊。

2. vfs 幾個(gè)重要對(duì)象

在這里我們不介紹整個(gè)IO棧，只說明和文件系統(tǒng)相關(guān)的vfs和具體文件系統(tǒng)層。我們知道在Linux中通過虛擬文件系統(tǒng)層VFS統(tǒng)一所有具體的文件系統(tǒng)，提取所有具體文件系統(tǒng)的共性，屏蔽具體文件系統(tǒng)的差異。VFS既是向下的接口（所有文件系統(tǒng)都必須實(shí)現(xiàn)該接口），同時(shí)也是向上的接口（用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用最終能夠訪問文件系統(tǒng)功能）。
下面我們來看下，vfs中幾個(gè)比較重要的結(jié)構(gòu)體對(duì)象：

2.1 file_system_type

這個(gè)結(jié)構(gòu)來描述一種文件系統(tǒng)類型，一般具體文件系統(tǒng)會(huì)定義這個(gè)結(jié)構(gòu)，然后注冊(cè)到系統(tǒng)中；定義了具體文件系統(tǒng)的掛載和卸載方法，文件系統(tǒng)掛載時(shí)調(diào)用其掛載方法構(gòu)建超級(jí)塊、跟dentry等實(shí)例。
文件系統(tǒng)分為以下幾種：
1）磁盤文件系統(tǒng)
文件在非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)上(如硬盤，flash)，掉電文件不丟失。
如ext2,ext4,xfs
2）內(nèi)存文件系統(tǒng)
文件在內(nèi)存上，掉電丟失。
如tmpfs
3）偽文件系統(tǒng)
是假的文件系統(tǒng)，是利用虛擬文件系統(tǒng)的接口（可以對(duì)用戶可見如proc、sysfs,也可以對(duì)用戶不可見內(nèi)核可見如sockfs,bdev）。
如proc,sysfs,sockfs,bdev
4）網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)
這種文件系統(tǒng)允許訪問另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)，該計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接到本地計(jì)算機(jī)。
如nfs文件系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h 2226

2.2 super_block

超級(jí)塊，用于描述塊設(shè)備上的一個(gè)文件系統(tǒng)總體信息（如文件塊大小，最大文件大小，文件系統(tǒng)魔數(shù)等），一個(gè)塊設(shè)備上的文件系統(tǒng)可以被掛載多次，但是內(nèi)存中只能有個(gè)super_block來描述（至少對(duì)于磁盤文件系統(tǒng)來說）。
結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h 1414

2.3 mount

掛載描述符，用于建立超級(jí)塊和掛載點(diǎn)等之間的聯(lián)系，描述文件系統(tǒng)的一次掛載，一個(gè)塊設(shè)備上的文件系統(tǒng)可以被掛載多次，每次掛載內(nèi)存中有一個(gè)mount對(duì)象描述。
結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：fs/mount.h 39

2.4 inode

索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象，描述磁盤上的一個(gè)文件元數(shù)據(jù)（文件屬性、位置等），有些文件系統(tǒng)需要從塊設(shè)備上讀取磁盤上的索引節(jié)點(diǎn),然后在內(nèi)存中創(chuàng)建vfs的索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象，一般在文件第一次打開時(shí)創(chuàng)建。
結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h 610

2.5 dentry

目錄項(xiàng)對(duì)象，用于描述文件的層次結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建文件系統(tǒng)的目錄樹，文件系統(tǒng)將目錄當(dāng)作文件，目錄的數(shù)據(jù)由目錄項(xiàng)組成，而每個(gè)目錄項(xiàng)存儲(chǔ)一個(gè)目錄或文件的名稱和索引節(jié)點(diǎn)號(hào)等內(nèi)容。每當(dāng)進(jìn)程訪問一個(gè)目錄項(xiàng)就會(huì)在內(nèi)存中創(chuàng)建目錄項(xiàng)對(duì)象（如ext2路徑名查找中，通過查找父目錄數(shù)據(jù)塊的目錄項(xiàng)，找到對(duì)應(yīng)文件/目錄的名稱，獲得inode號(hào)來找到對(duì)應(yīng)inode）。
結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/dcache.h 90

2.6 file

文件對(duì)象，描述進(jìn)程打開的文件，當(dāng)進(jìn)程打開文件時(shí)會(huì)創(chuàng)建文件對(duì)象加入到進(jìn)程的文件打開表，通過文件描述符來索引文件對(duì)象，后面讀寫等操作都通過文件描述符進(jìn)行（一個(gè)文件可以被多個(gè)進(jìn)程打開，會(huì)由多個(gè)文件對(duì)象加入到各個(gè)進(jìn)程的文件打開表，但是inode只有一個(gè)）。
結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h 915

3. 掛載總體流程

3.1系統(tǒng)調(diào)用處理

用戶執(zhí)行掛載是通過系統(tǒng)調(diào)用路徑進(jìn)入內(nèi)核處理，拷貝用戶空間傳遞參數(shù)到內(nèi)核，掛載委托do_mount。
//fs/namespace.c
SYSCALL_DEFINE5(mount
參數(shù)：
dev_name 要掛載的塊設(shè)備
dir_name 掛載點(diǎn)目錄
type 文件系統(tǒng)類型名
flags 掛載標(biāo)志
data 掛載選項(xiàng)
-> kernel_type = copy_mount_string(type); //拷貝文件系統(tǒng)類型名到內(nèi)核空間
-> kernel_dev = copy_mount_string(dev_name) //拷貝塊設(shè)備路徑名到內(nèi)核空間 -> options = copy_mount_options(data) //拷貝掛載選項(xiàng)到內(nèi)核空間
-> do_mount(kernel_dev, dir_name, kernel_type, flags, options) //掛載委托do_mount