嵌入式 Linux根文件系统移植（一）――Linux文件系统简介
本文对文件系统分析的代码来源于linux 2.6.35.7版本。
一、文件系统的体系结构
文件系统是对存储设备上的数据和元数据进行组织的机制，便于用户和操作系统的交互。Linux支持多种文件系统，文件系统接口实现为分层的体系结构，将用户接口层、文件系统实现和操作存储设备的驱动程序分隔开。Linux文件系统的体系结构如下：
用户空间包含一些应用程序（例如，文件系统的使用者）和 GNU C库（glibc），为文件系统调用（打开、读取、写和关闭）提供用户接口。系统调用接口的作用就像是交换器，将系统调用从用户空间发送到内核空间中的适当端点。
VFS 是底层文件系统的主要接口，会导出一组接口，抽象到各个文件系统。有两个针对文件系统对象的缓存（inode 和 dentry），用于缓存最近使用过的文件系统对象。
每个文件系统的实现（比如 ext2、yaffs2等等）导出一组通用接口，供VFS使用。缓冲区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。例如，对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递，允许在缓冲区缓存请求，减少访问物理设备的次数，加快访问速度。以最近使用（LRU）列表的形式管理缓冲区缓存。但是，可以使用sync命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体（迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序，进而发送到存储设备）。
二、虚拟文件系统层
VFS 作为文件系统接口的根层。VFS 记录当前支持的文件系统以及当前挂装的文件系统。VFS并不是一种实际的文件系统，只存在于内存中，不存在于任何外存空间。VFS在系统启动时建立，在系统关闭时消亡。
可以使用一组注册函数在Linux中动态地添加或删除文件系统。kernel保存当前支持的文件系统的列表，可以通过 /proc 文件系统在用户空间中查看这个列表。proc虚拟文件系统还显示当前与所支持文件系统相关联的设备。在Linux中添加新文件系统的方法是调用register_filesystem，函数的参数定义一个文件系统结构（file_system_type）的引用，文件系统结构定义了文件系统的名称、一组属性和两个超级块函数。register_filesystem函数也可以注销文件系统。
在注册新的文件系统时，会把要注册的新文件系统及其相关信息添加到 file_systems链表中（linux/include/linux/fs.h）。file_systems列表定义可以支持的文件系统。在命令行上输入cat /proc/filesystems，就可以查看当前linux系统支持的文件系统类型。
int register_filesystem(struct file_system_type * fs)
{
int res = 0;
struct file_system_type ** p;
BUG_ON(strchr(fs->name, '.'));
if (fs->next)
return -EBUSY;
INIT_LIST_HEAD(&fs->fs_supers);
write_lock(&file_systems_lock);
p = find_filesystem(fs->name, strlen(fs->name));
if (*p)
res = -EBUSY;
else
*p = fs;
write_unlock(&file_systems_lock);
return res;
}
struct file_system_type {const char *name;int fs_flags;int (*get_sb) (struct file_system_type *, int, const char *, void *, struct vfsmount *);void (*kill_sb) (struct super_block *);struct module *owner;struct file_system_type * next;struct list_head fs_supers;struct lock_class_key s_lock_key;struct lock_class_key s_umount_key;struct lock_class_key s_vfs_rename_key;struct lock_class_key i_lock_key;struct lock_class_key i_mutex_key;struct lock_class_key i_mutex_dir_key;struct lock_class_key i_alloc_sem_key;};
VFS 中维护的另一个结构是挂载的文件系统，提供当前挂载的文件系统（见 linux/include/linux/mount.h），链接超级块结构。
struct vfsmount {struct list_head mnt_hash;struct vfsmount *mnt_parent;/* fs we are mounted on */struct dentry *mnt_mountpoint;/* dentry of mountpoint */struct dentry *mnt_root;/* root of the mounted tree */struct super_block *mnt_sb;/* pointer to superblock */struct list_head mnt_mounts;/* list of children, anchored here */struct list_head mnt_child;/* and going through their mnt_child */int mnt_flags;const char *mnt_devname;/* Name of device e.g. /dev/dsk/hda1 */struct list_head mnt_list;struct list_head mnt_expire;/* link in fs-specific expiry list */struct list_head mnt_share;/* circular list of shared mounts */struct list_head mnt_slave_list;/* list of slave mounts */struct list_head mnt_slave;/* slave list entry */struct vfsmount *mnt_master;/* slave is on master->mnt_slave_list */struct mnt_namespace *mnt_ns;/* containing namespace */int mnt_id;/* mount identifier */int mnt_group_id;/* peer group identifier */atomic_t mnt_count;int mnt_expiry_mark;/* true if marked for expiry */int mnt_pinned;int mnt_ghosts;#ifdef CONFIG_SMPint __percpu *mnt_writers;#elseint mnt_writers;#endif};
三、文件的结构
VFS对Linux的每个文件系统的所有细节进行抽象，使得不同的文件系统在Linux核心以及系统中运行的其他进程看来，都是相同的，这种抽象的结构就是通用文件模型，由超级块（superblock）、inode、dentry 和文件组成。超级块在每个文件系统的根上，用于描述和维护文件系统的状态。文件系统中管理的每个文件（文件、目录、设备，linux中一切皆是文件）在 Linux 中表示为一个 inode。inode 包含管理文件系统中的文件所需的所有元数据（包括可以在文件上执行的操作）。dentry用来实现文件名称和inode之间的映射，有一个目录缓存用来保存最近使用的dentry。dentry还维护目录和文件之间的关系，从而支持文件在文件系统中移动。VFS文件表示一个打开的文件（保存打开的文件的状态，比如写偏移量等等）。
1、超级块
超级块结构表示一个文件系统，包含管理文件系统所需的信息，包括文件系统名称（比如 ext2）、文件系统的大小和状态、块设备的引用和元数据信息（比如空闲列表等等）。超级块通常存储在存储媒体上，但是如果超级块不存在，也可以实时创建它。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到超级块结构。
struct super_block {struct list_heads_list;/* Keep this first */dev_ts_dev;/* search index; _not_ kdev_t */unsigned chars_dirt;unsigned chars_blocksize_bits;unsigned longs_blocksize;loff_ts_maxbytes;/* Max file size */struct file_system_type*s_type;const struct super_operations*s_op;const struct dquot_operations*dq_op;const struct quotactl_ops*s_qcop;const struct export_operations *s_export_op;unsigned longs_flags;unsigned longs_magic;struct dentry*s_root;struct rw_semaphores_umount;struct mutexs_lock;ints_count;atomic_ts_active;#ifdef CONFIG_SECURITYvoid *s_security;#endifconst struct xattr_handler **s_xattr;struct list_heads_inodes;/* all inodes */struct hlist_heads_anon;/* anonymous dentries for (nfs) exporting */struct list_heads_files;struct list_heads_dentry_lru;/* unused dentry lru */ints_nr_dentry_unused;/* # of dentry on lru */struct block_device*s_bdev;struct backing_dev_info *s_bdi;struct mtd_info*s_mtd;struct list_heads_instances;struct quota_infos_dquot;/* Diskquota specific options */ints_frozen;wait_queue_head_ts_wait_unfrozen;char s_id[32];/* Informational name */void *s_fs_info;/* Filesystem private info */fmode_ts_mode;u32 s_time_gran;struct mutex s_vfs_rename_mutex;/* Kludge */char *s_subtype;char *s_options;};
超级块中的一个重要元素是超级块操作的定义super_operations，super_operations结构定义一组用来管理文件系统中的 inode 的函数。例如，可以用alloc_inode分配 inode，用destroy_inode删除inode。可以用read_inode和 write_inode读写inode，用sync_fs执行文件系统同步。可以在 /linux/include/linux/fs.h 中找到 super_operations 结构。每个文件系统提供自己的inode方法，这些方法实现操作并向 VFS 层提供通用的抽象。
struct super_operations { struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);void (*destroy_inode)(struct inode *); void (*dirty_inode) (struct inode *);int (*write_inode) (struct inode *, struct writeback_control *wbc);void (*drop_inode) (struct inode *);void (*delete_inode) (struct inode *);void (*put_super) (struct super_block *);void (*write_super) (struct super_block *);int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);int (*freeze_fs) (struct super_block *);int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);void (*clear_inode) (struct inode *);void (*umount_begin) (struct super_block *);int (*show_options)(struct seq_file *, struct vfsmount *);int (*show_stats)(struct seq_file *, struct vfsmount *);#ifdef CONFIG_QUOTAssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);#endifint (*bdev_try_to_free_page)(struct super_block*, struct page*, gfp_t);};
2、inode结构
inode 表示文件系统中的一个对象，具有惟一标识符。各个文件系统提供将文件名映射为惟一inode标识符和inode引用的方法。inode结构中的inode_operations 和 file_operations是重要的操作方法成员。inode_operations 定义直接在inode上执行的操作，而file_operations定义与文件和目录相关的方法（标准系统调用）。
struct inode {struct hlist_nodei_hash;struct list_headi_list;/* backing dev IO list */struct list_headi_sb_list;struct list_headi_dentry;unsigned longi_ino;atomic_ti_count;unsigned inti_nlink;uid_ti_uid;gid_ti_gid;dev_ti_rdev;unsigned inti_blkbits;u64i_version;loff_ti_size;#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDEREDseqcount_ti_size_seqcount;#endifstruct timespeci_atime;struct timespeci_mtime;struct timespeci_ctime;blkcnt_ti_blocks;unsigned short i_bytes;umode_ti_mode;spinlock_ti_lock;/* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */struct mutexi_mutex;struct rw_semaphorei_alloc_sem;const struct inode_operations*i_op;const struct file_operations*i_fop;/* former ->i_op->default_file_ops */struct super_block*i_sb;struct file_lock*i_flock;struct address_space*i_mapping;struct address_spacei_data;#ifdef CONFIG_QUOTAstruct dquot*i_dquot[MAXQUOTAS];#endifstruct list_headi_devices;union {struct pipe_inode_info*i_pipe;struct block_device*i_bdev;struct cdev*i_cdev;};__u32i_generation;#ifdef CONFIG_FSNOTIFY__u32i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */struct hlist_headi_fsnotify_mark_entries; /* fsnotify mark entries */#endif#ifdef CONFIG_INOTIFYstruct list_headinotify_watches; /* watches on this inode */struct mutexinotify_mutex;/* protects the watches list */#endifunsigned longi_state;unsigned longdirtied_when;/* jiffies of first dirtying */unsigned inti_flags;atomic_ti_writecount;#ifdef CONFIG_SECURITYvoid*i_security;#endif#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACLstruct posix_acl*i_acl;struct posix_acl*i_default_acl;#endifvoid*i_private; /* fs or device private pointer */}; struct inode_operations {int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int);int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,int,dev_t);int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,struct inode *, struct dentry *);int (*readlink) (struct dentry *, char __user *,int);void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *);void (*truncate) (struct inode *);int (*permission) (struct inode *, int);int (*check_acl)(struct inode *, int);int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);int (*getattr) (struct vfsmount *mnt, struct dentry *, struct kstat *);int (*setxattr) (struct dentry *, const char *,const void *,size_t,int);ssize_t (*getxattr) (struct dentry *, const char *, void *, size_t);ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);int (*removexattr) (struct dentry *, const char *);void (*truncate_range)(struct inode *, loff_t, loff_t);long (*fallocate)(struct inode *inode, int mode, loff_t offset, loff_t len);int (*fiemap)(struct inode *, struct fiemap_extent_info *, u64 start, u64 len);};
3、目录项dentry
目录项是描述文件的逻辑属性，只存在于内存中，并没有实际对应的磁盘上的描述，更确切的说是存在于内存的目录项缓存，为了提高查找性能而设计。所有的文件，都是属于目录项，所有的目录项在一起构成一颗庞大的目录树。
inode 和目录缓存分别保存最近使用的 inode 和 dentry。注意，对于 inode 缓存中的每个 inode，在目录缓存中都有一个对应的 dentry。
struct dentry {atomic_t d_count;unsigned int d_flags;/* protected by d_lock */spinlock_t d_lock;/* per dentry lock */int d_mounted;struct inode *d_inode;/* Where the name belongs to - NULL is negative */struct hlist_node d_hash;/* lookup hash list */struct dentry *d_parent;/* parent directory */struct qstr d_name;struct list_head d_lru;/* LRU list */union {struct list_head d_child;/* child of parent list */ struct rcu_head d_rcu;} d_u;struct list_head d_subdirs;/* our children */struct list_head d_alias;/* inode alias list */unsigned long d_time;/* used by d_revalidate */const struct dentry_operations *d_op;struct super_block *d_sb;/* The root of the dentry tree */void *d_fsdata;/* fs-specific data */unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN];/* small names */};
4、file文件对象
文件对象是已打开的文件在内存中的表示，主要用于建立进程和磁盘上的文件的对应关系，由sys_open() 现场创建，由sys_close()销毁。文件对象和物理文件的关系有点像进程和程序的关系一样。
struct file {union {struct list_headfu_list;struct rcu_head fu_rcuhead;} f_u;struct pathf_path;#define f_dentryf_path.dentry#define f_vfsmntf_path.mntconst struct file_operations*f_op;spinlock_tf_lock; /* f_ep_links, f_flags, no IRQ */atomic_long_tf_count;unsigned int f_flags;fmode_tf_mode;loff_tf_pos;struct fown_structf_owner;const struct cred*f_cred;struct file_ra_statef_ra;u64f_version;#ifdef CONFIG_SECURITYvoid*f_security;#endifvoid*private_data;#ifdef CONFIG_EPOLLstruct list_headf_ep_links;#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */struct address_space*f_mapping;#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNTunsigned long f_mnt_write_state;#endif};
四、缓冲区缓存
各个文件系统的实现在linux/fs中，文件系统层的底部是缓冲区缓存。缓冲区缓存跟踪来自文件系统实现和物理设备（通过设备驱动程序）的读写请求。为了提高效率，Linux 对请求进行缓存，避免将所有请求发送到物理设备。缓存中缓存最近使用的缓冲区（页面），可以快速提供给各个文件系统使用。
参考博文：
Linux 文件系统剖析（IBM developerworkks M.Tim Jones）
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