Linux虛擬文件系統(tǒng)對物理文件的管理

侯旗，陳慈發(fā)，艾偉

（三峽大學(xué)，宜昌443002）

引 言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，越來越多的嵌入式設(shè)備采用Linux作為其操作系統(tǒng)。Linux支持各種物理文件系統(tǒng)，而不同物理文件系統(tǒng)具有不同的組織結(jié)構(gòu)和不同的處理方式。為了兼容支持不同的文件系統(tǒng)，Linux設(shè)計了在系統(tǒng)啟動時由系統(tǒng)在內(nèi)存創(chuàng)建的文件系統(tǒng)，即虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System，VFS）。該文件系統(tǒng)對不同的物理文件系統(tǒng)的所有特性進(jìn)行抽象，屏蔽各種文件系統(tǒng)的差別，向Linux內(nèi)核和進(jìn)程提供了一個處理各種物理文件系統(tǒng)的公共接口，從而實現(xiàn)了對不同文件系統(tǒng)的支持。而且，Linux系統(tǒng)把一切的設(shè)備也當(dāng)作文件來處理。理解Linux虛擬文件系統(tǒng)機(jī)制對于學(xué)習(xí)Linux運(yùn)行原理起著重要的作用。本文對Linux虛擬文件系統(tǒng)原理進(jìn)行了較為詳盡的分析。

1 Linux VFS基本原理

Linux以EXT2作為基本的文件系統(tǒng)，組成虛擬文件系統(tǒng)的超級塊、索引節(jié)點(diǎn)、目錄項等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，兼容于各種文件系統(tǒng)的相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了對多種文件系統(tǒng)的透明調(diào)用。

1.1 Linux所支持的文件系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

Linux繼承了Uinx，把文件名和文件控制信息分開管理。一個Linux所支持的物理文件系統(tǒng)使用的塊設(shè)備上的一個獨(dú)立邏輯分區(qū)可大致分為：引導(dǎo)塊、超級塊、inode塊、data塊4部分［1］。超級塊是描述文件系統(tǒng)整體信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)運(yùn)行期間被讀入內(nèi)存，在內(nèi)存中建立一個超級塊的映像。Linux所支持的文件系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Linux所支持的文件系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

1.2 VFS對物理文件系統(tǒng)的管理

Linux VFS采用超級塊（super＿block）和索引節(jié)點(diǎn)（inode）來描述文件系統(tǒng)。這里的super＿block和inode不同于物理文件系統(tǒng)中的super＿block和inode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，VFS super＿block是VFS把不同文件系統(tǒng)中的整體組織和結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行抽象后形成的，兼顧不同文件系統(tǒng)的統(tǒng)一的超級塊結(jié)構(gòu)。在安裝文件系統(tǒng)時，由系統(tǒng)在內(nèi)存中建立，其內(nèi)容主要由文件系統(tǒng)的超級塊數(shù)據(jù)來填充。inode則是在系統(tǒng)打開文件時，由系統(tǒng)在內(nèi)存動態(tài)建立，其內(nèi)容主要由文件系統(tǒng)的inode節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來填充。

Linux VFS除了沒有存儲文件內(nèi)容的data塊外，文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與物理文件系統(tǒng)基本相似，如圖2所示。

圖2 Linux VFS文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Linux進(jìn)程通過VFS中相應(yīng)的超級塊和索引節(jié)點(diǎn)中的信息，準(zhǔn)確地訪問操作目的磁盤文件系統(tǒng)中的相應(yīng)文件。

2 Linux VFS的實現(xiàn)

為了區(qū)分文件系統(tǒng)中的inode，這里把VFS中的inode稱為vnode。

Linux系統(tǒng)支持文件系統(tǒng)目錄樹機(jī)制，根據(jù)路徑名，如／home／xyz／work／test.c，就 可 以 在 磁 盤 上 找 到 文 件test.c的目錄項和索引節(jié)點(diǎn)。在路徑／home／xyz／work／test.c中，目錄／、home、xyz、work以及普通文件test.c都對應(yīng)一個目錄項對象。目錄項在磁盤文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是dir＿entry，VFS在遍歷路徑名的過程中將其解析成內(nèi)存目錄項對象（dentry對象）和vnode對象。

vnode與某個文件的對應(yīng)關(guān)系是通過設(shè)備號i＿dev與inode號i＿ino建立的，它們唯一地指定了某個設(shè)備上的一個文件或目錄。vnode是設(shè)備上的文件或目錄的inode在內(nèi)存中的統(tǒng)一對應(yīng)結(jié)構(gòu)，并且給出了不同文件系統(tǒng)特有的信息，即各種文件系統(tǒng)的inode在內(nèi)存中的映像。

如前所述，Linux繼承了Uinx，把文件名和文件控制信息分開管理，由目錄項（dir＿entry）管理文件名，索引節(jié)點(diǎn)（inode）管理文件控制信息，并且通過dir＿entry結(jié)構(gòu)中的d＿inode域指向文件的inode節(jié)點(diǎn)，建立與文件索引節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。文件的索引節(jié)點(diǎn)（inode）結(jié)構(gòu)體包含了關(guān)于文件的組織信息和管理信息，根據(jù)其中的i＿info查找存儲文件內(nèi)容的數(shù)據(jù)塊，根據(jù)i＿op指向的inode＿operations結(jié)構(gòu)，通過其中的指針函數(shù)調(diào)用各自的inode操作函數(shù)。

系統(tǒng)進(jìn)程使用文件由表示進(jìn)程當(dāng)前打開的所有文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)files＿struct建立進(jìn)程與文件系統(tǒng)的關(guān)系。指針fd和fd＿array都指向代表打開文件對象數(shù)組。進(jìn)程調(diào)用文件操作函數(shù)，依據(jù)文件路徑打開文件，文件操作函數(shù)返回一整數(shù)，即文件描述符，例如int open（const char＊pathname，int flages）［2］。之后，進(jìn)程便用文件描述符來表示一個打開的文件，該整數(shù)文件描述符就是files＿struct中file數(shù)組fd的下標(biāo)。

圖3描述了進(jìn)程使用文件時用到的VFS中主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

圖3 VFS中主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

dentry結(jié)構(gòu)描述的是邏輯意義上的文件，記錄的是其邏輯上的屬性。只要是有效的dentry結(jié)構(gòu)，則其指針d＿inode必定指向一個inode結(jié)構(gòu)。而inode結(jié)構(gòu)所代表的是物理意義上的文件，記錄的是其物理上的屬性。一個inode結(jié)構(gòu)可能對應(yīng)著不只一個dentry結(jié)構(gòu)，因為一個物理意義上的文件可以被鏈接（link）其他路徑名。

所以，在inode結(jié)構(gòu)中有個隊列i＿dentry，凡是代表著這個文件的所有目錄項（普通文件也是目錄文件的一種）都是通過dentry結(jié)構(gòu)中的d＿alias掛入相應(yīng)的inode結(jié)構(gòu)中的i＿dentry隊列。

結(jié) 語

本文主要從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，對Linux虛擬文件系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)作了簡要的分析。Linux系統(tǒng)把一切設(shè)備都作為文件看待，深入探究Linux虛擬文件系統(tǒng)的文件組織方式，可以為系統(tǒng)軟件設(shè)計和嵌入式Linux驅(qū)動開發(fā)提供一定參考價值。

［1］毛德操.Linux內(nèi)核源代碼情景分析（上）［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2009：428－430.

［2］韓超，魏治宇，寥文江.嵌入式linux上的C語言編程實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009：163－164.