Linux檔案系統 概述

2021-06-04 06:14:39 字數 2649 閱讀 7116

對於乙個作業系統來說，最主要的兩個模組就是檔案系統和程序管理。在linux中，檔案具有廣泛的含義，凡是能夠產生或者消耗資訊的都是檔案。linux除了支援自身的ext2檔案系統外，還支援其他各種不同的檔案系統。那麼這一目的是如何實現的呢？很容易想到的思路是，在各種不同的檔案系統之上增加乙個中間層，用於隔離各個具體檔案系統的差異，為上層使用者提供乙個統一的介面。實際上，linux正是這麼做的，它在具體的檔案系統上引入了乙個統一的、抽象的、虛擬的檔案系統介面，即所謂的vfs（virtual filesystem system，虛擬檔案系統），來隱藏具體檔案系統的實現細節。這個介面主要由一些抽象的、標準的檔案操作組成，並以系統呼叫的形式提供給使用者，如read()，wirte()，lseek()。vfs與具體的檔案系統之間的介面是明確定義的，其核心是乙個叫做file_operations的資料結構，其成員幾乎全為函式指標，每種檔案系統都有自己的file_operations資料結構，其中儲存了該檔案系統對vfs中的各個介面的實現**，如果具體的檔案系統不支援某種操作，其file_operations結構中的相應函式指標就為null。file_operations的定義如下：

/*


* note:


* read, write, poll, fsync, readv, writev can be called


* without the big kernel lock held in all filesystems.


*/struct file_operations ;
linux中vfs和具體檔案系統的關係可以用下圖來說明：

當程序通過open()系統呼叫開啟檔案時，該程序就與具體的檔案建立起了聯絡，乙個「已開啟的檔案」在系統中表現為乙個file資料結構，其定義如下：

struct file ;
當對檔案進行讀寫等操作時，通過f_op指標呼叫該檔案所屬的檔案系統（比如ext2，fat32，ntfs等）提供的檔案操作函式即可。

同乙個檔案可以被多個程序開啟，乙個程序也可以開啟多個檔案，程序與該程序開啟的檔案（file結構）之間的這種關係在系統是如何來描述的呢？答案在task_struct資料結構中，linux將程序開啟的檔案作為程序的一項資源記錄在程序的task_struct資料結構中：

struct task_struct ;
其中fs指向乙個fs_struct結構，描述了該與該程序有關的檔案系統的資訊，比如程序的當前工作目錄、程序的根目錄、程序替換目錄等；而files指向乙個files_struct結構，描述了該程序開啟的檔案的資訊。我們來看一下files_struct的定義：

/*


* open file table structure


*/struct files_struct ;
前面說過，已開啟的檔案在系統中表現為乙個file結構，files_struct結構中的fd_array指標陣列記錄了該程序開啟的檔案的file結構。當開啟乙個檔案後，我們就可以通過read、write等系統呼叫來對該檔案進行操作了，在呼叫read等系統呼叫時，會傳遞乙個所謂的「檔案描述符」的引數，以read為例，read()系統呼叫的原型如下：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

其中的引數fd即為檔案描述符，那麼這個檔案描述符到底是什麼東東呢，為啥根據這個fd引數就可以確定要操作的檔案呢？關鍵就在於fd_array這個陣列，系統通過fd_array[fd]指標即可確定要操作的檔案，例如fd_arrar[0]指向的file結構代表就是標準輸入裝置。通過file結構中的f_op，我們就可以得到操作該檔案的**，但是如何得到該檔案的內容呢？要找到答案，還是要回到file結構的定義，在file結構中，有乙個f_dentry成員，指向乙個叫做dentry的結構。dentry中記錄著檔案的各種屬性，比如檔名、訪問許可權等，其定義如下：

struct dentry ;
其中d_name記錄著檔名，d_flags記錄著檔案的訪問許可權等資訊。這裡我們需要注意的是d_inode這個成員，該成員是乙個指標，指向inode結構。inode結構中提供了檔案的資料在儲存介質上的位置和分布資訊，從這裡可以看出，dentry和inode反應了檔案的兩個方面，即dentry和inode從兩個不同的角度來描述檔案，其中dentry所代表的是邏輯上的檔案，只關注檔案的屬性，而不關注其儲存，而inode多代表的是物理意義上的檔案，記錄的是其物理上的屬性，它們之間是多對一的關係（即同乙個物理檔案可以有多個檔名）。dentry中還有乙個d_op成員，指向dentry_operations結構，與file_operations相似，該結構也是為了隔離具體檔案系統對目錄的操作差別而引入vfs的，每個具體的檔案系統都會提供自己的dentry_operations。定義如下：

struct dentry_operations ;
其中d_delete用於「刪除檔案」，d_release用於「關閉檔案」，d_compare用於檔名的比較。

其實，，vfs和具體檔案系統的介面除了file_operations和dentry_operations外，還包括一些其他的資料結構，其中最主要的是inode_operations，該結構定義了操作inode的介面。

至此，我們對linux檔案系統有了乙個基本的了解，下圖很好地說明了反應了linux檔案系統的內部結構：

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