Linux文件系統(tǒng)裝載探究

摘要：Linux系統(tǒng)在信息化建設(shè)中的應(yīng)用范圍也越來越廣，linux文件系統(tǒng)在這些應(yīng)用中擔負著極其重要的任務(wù)，數(shù)據(jù)的存儲處理與文件系統(tǒng)密不可分，如何真正理解linux文件系統(tǒng)的工作原理，尤其是linux文件系統(tǒng)的完整裝載過程，對提高linux系統(tǒng)的應(yīng)用水平、認識編程類課程及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程的重要性等意義重大。

關(guān)鍵詞：Linux系統(tǒng)；文件系統(tǒng)；VFS

中圖分類號：TP316 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 15-0000-01

1 引言

Linux是一個免費的操作系統(tǒng)，用戶免費獲得其源代碼，而且允許隨意修改。它是在共用許可證GPL保護下的自由軟件，也有幾種版本，如Red Hat Linux、Slackware，以及國內(nèi)的Xteam Linux等。Linux具有許多Unix系統(tǒng)的功能和特點，能夠兼容Unix，但無需支付Unix高額的費用。

目前，Linux技術(shù)已經(jīng)成為IT技術(shù)發(fā)展的熱點，從事Linux技術(shù)研究的社區(qū)、研究機構(gòu)和軟件企業(yè)逐年增多，支持Linux的軟件、硬件制造商和解決方案提供商也快速增加，Linux在信息化建設(shè)中的應(yīng)用范圍也越來越廣。隨著整個Linux產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，Linux技術(shù)也處在快速的發(fā)展過程中，形成了若干技術(shù)熱點。由于任何一個操作系統(tǒng)都必須提價有效手段來管理外存及其上的數(shù)據(jù)，而這些功能主要由操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)功能來完成的，因此深入理解linux的文件系統(tǒng)裝載過程對提高linux系統(tǒng)的應(yīng)用水平有重要的意義。

2 Linux系統(tǒng)的文件與虛擬文件系統(tǒng)VFS

“一切皆是文件”是Unix/Linux的基本哲學(xué)之一[1]。不僅普通的文件，目錄、字符設(shè)備、塊設(shè)備等在Unix/Linux中都是以文件被對待；即使類型不同，仍然可以在同一套操作界面運行。Linux中允許不同的文件系統(tǒng)共存。如圖1所示，我們可以使用cp命令從vfat文件系統(tǒng)格式的硬盤拷貝數(shù)據(jù)到ext3文件系統(tǒng)格式的硬盤；而這樣的操作涉及到兩個不同的文件系統(tǒng)。

而虛擬文件系統(tǒng)正是實現(xiàn)上述兩點Linux特性的關(guān)鍵所在。虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System，簡稱VFS），是Linux內(nèi)核中的一個軟件層，用于給用戶空間的程序提供文件系統(tǒng)接口；同時，它也提供了內(nèi)核中的一個抽象功能，允許不同的文件系統(tǒng)共存[2]。系統(tǒng)中所有的文件系統(tǒng)在VFS和VFS中工作。為了能夠支持各種實際文件系統(tǒng)，VFS定義了所有文件系統(tǒng)都支持的基本的、概念上的接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；同時也提供VFS所期望的抽象接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將自身的諸如文件、目錄等概念在形式上與VFS的定義保持一致。實際文件系統(tǒng)在統(tǒng)一的接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下隱藏了具體的實現(xiàn)細節(jié)，所以在VFS層和內(nèi)核的其他部分看來，所有文件系統(tǒng)都是一樣的。圖2顯示了VFS在內(nèi)核中與實際的文件系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系。

這里要特別注意有關(guān)文件系統(tǒng)的三個重要概念：即（1）創(chuàng)建。以某種方式格式化磁盤的過程就是在其之上建立一個文件系統(tǒng)的過程。創(chuàng)建文現(xiàn)系統(tǒng)時，會在磁盤的特定位置寫入關(guān)于該文件系統(tǒng)的控制信息。（2）注冊。向內(nèi)核報到，聲明自己能被內(nèi)核支持。一般在編譯內(nèi)核的時候注冊；也可以加載模塊的方式手動注冊。注冊過程實際上是將表示各實際文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_system_type實例化。（3）安裝。也就是我們熟悉的mount操作，將文件系統(tǒng)加入到Linux的根文件系統(tǒng)的目錄樹結(jié)構(gòu)上；這樣文件系統(tǒng)才能被訪問。

3 Linux文件系統(tǒng)裝載過程

Linux以一組通用對象的角度看待所有文件系統(tǒng)。這些對象是超級塊、inode、dentry和文件。文件系統(tǒng)中管理的每個對象在Linux中表示為一個inode。inode包含管理文件系統(tǒng)中的對象所需的所有元數(shù)據(jù)。另一組結(jié)構(gòu)稱為dentry，它們用來實現(xiàn)名稱和inode之間的映射，有一個目錄緩存用來保存最近使用的dentry。dentry還維護目錄和文件之間的關(guān)系，從而支持在文件系統(tǒng)中移動。最后，VFS文件表示一個打開的文件。安裝linux文件系統(tǒng)的過程就是創(chuàng)建VFS超級塊的過程，也就是在VFS的目錄樹中向其中某個目錄上掛載一個文件系統(tǒng)的過程。

安裝初始過程由sys_mount（）系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)發(fā)起，該函數(shù)原型聲明如下：asmlinkage long sys_mount（char*dev_name，char*dir_name，char*type，unsigned long flags，void*data）；例如：我們準備將來自主硬盤第2分區(qū)（hda2）上的ext2文件系統(tǒng)安裝到前面創(chuàng)建的\"/dev\"目錄中。那么對于sys_mount（）函數(shù)的調(diào)用便具體為：sys_mount（\"hda2\"，\"/dev\"，\"ext2\"，…）；在新的文件系統(tǒng)加載之后，內(nèi)核鏈表file_systems及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會有相應(yīng)變化，有關(guān)內(nèi)容限于篇幅在此不一一詳述。讀者可參考文獻[3]。

4 結(jié)束語

本文針對Linux系統(tǒng)在應(yīng)用領(lǐng)域的擴張趨勢，分析了Linux文件系統(tǒng)的創(chuàng)建，注冊及安裝的全過程，從內(nèi)核上深入剖析Linux文件系統(tǒng)的含義，解釋了虛擬文件系統(tǒng)VFS在linux文件系統(tǒng)安裝及文件管理中的重要作用，它保證了linux系統(tǒng)中“一切皆是文件”的實現(xiàn)，同時由于Linux系統(tǒng)文件安裝過程伴隨著內(nèi)存上各類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的及鏈表的相應(yīng)變化，因此，分析linux文件系統(tǒng)的安裝還有助于加深對編程類課程及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類課程重要性的認識。

參考文獻：

[1]周巍松.Linux系統(tǒng)分析與高級編程技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999

[2]Warren W.Gay.Linux Programming in 24 Hours[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000

[3]郭玉東，王非非.Linux操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社會，2002

[作者簡介]吳偉美（1981-），女，廣東梅州人，廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院教師，網(wǎng)絡(luò)助理工程師，研究方向，網(wǎng)絡(luò)與計算機應(yīng)用。