十天学Linux内核之第五天有关Linux文件系统实现的

本文发布时间: 2019-Mar-22
有时间睡懒觉了,却还是五点多醒了,不过一直躺倒九点多才算起来,昨晚一直在弄飞凌的嵌入式开发板,有些问题没解决,自己电脑系统的问题,虽然Win10发布了,,但我还是好喜欢XP呀,好想回家用用家里的XP来玩玩这块板子,不知不觉也第五天了,感觉代码都有些模糊,连自己都不是很清楚了,担心现在分享起来比较困惑,各路大神多加批评呀,觉得渣渣的尽量指正出来,拉出来批评,今天还是来总结一下有关Linux文件系统的问题吧~  Linux的使用和用户空间程序的编程和文件系统有着密切的关系,文件系统的概念大家应该都有些熟悉,这里我不多说,因为说了也和大家以前讲解的一样,这些概念能了解就是了,大家想了解随便都能百度得到。首先我来说下Linux的虚拟文件系统。文件系统的实现因系统 的不同而不同,Linux最好的特性之一是他支持许多文件系统,文件系统的构造如下图:上图中VFS(虚拟文件系统)依赖数据结构来保存其对一个文件系统的一般表示,其中数据结构罗列如下:超级块结构:存放已经安装的文件系统的相关信息; 索引结点结构:存放有关文件的 信息; 文件结构:存放被进程打开的文件的相关信息; 目录项结构:存放有关路径名和路径名所指向的文件的信息。  Linux内核使用全局变量来保存先前提到的指向结构体的指针,所有的结构都用双向链表保存,内核保存指向链表头的指针,并且把它作为链表的访问点,这些结构都用list_head类型的域,用它来指向链表中的前一个元素,下表是内核保存的全局变量以及这些变量指向的链表类型(与VFS相关的全局变量)全局变量结构类型super_blockssuper_blockfile_systemsfile_systems_typedentry_unuseddentryvfsmntlistvfsmountinode_in_useinodeinode_unusedinode  super_block、file_system_type、dentry、vfsmoubt结构都保存在它们自己的链表中,索引结点能够在全局的inode_in_use上或者inode_unused上找到自己,或者它们对应的超级快的局部链表上都可以找到自己。  除了主要的VFS结构之外,还有几个其他的结构与VFS相互作用,fs_struct和files_struct,namespace,fd_set,下图讲诉了进程描述符是如何与文件相关的结构相关联的。先来介绍fs_struct结构,fs_struct结构可以被多个进程描述符引用,下述代码在include/Linux/fs_struct.h中可以查到哦,代码解释不好的请大神指教struct fs_struct{ atomic_t count;  //保存引用特定fs_struct的进程描述符数目 rwlock_t lock; int umask;  //保存一个掩码,表示将要在打开文件上设置的许可权 struct dentry * root, *pwd ,*altroot;  //都是指针,,,, struct vfsmount * rootmnt, *pwdmnt, *altrootmnt;  //指针,};files_struct包含打开文件和其描述符的相关信息,它使用这些集合来对它的描述符进行分组。下面代码在include/linux/file.h上可以查看到struct files_struct{ atomic_t count;  //与fs_struct类似 spinlock_t file_lock; int max_fds;  //表示进程能够打开的文件的最大数 int max_fdset;  //表示描述符的最大数 int next_fd;  //保存下一个将要分配的文件描述符的值 struct file ** fd;  //fd数组指向打开的文件对象的数组 fd_set *close_on_exec; //是指向文件描述符集的一个指针,这些文件描述符在exec()时候就被标志位将要关闭,如果在exec()时候被标志位“打开”的文件描述符数超过close_on_exec_init域的大小,则改变close_on_exec域的值; fd_set *open_fds; //是一个指针,指向被标记为“打开”的文件描述符集合, fd_set close_on_exec_init;  //保存一个位域,表示打开文件对应的文件描述符 fd_set open_fds_init;    //这些都是fd_set类型的域,其实都不懂,,, struct file *fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];//fd_array数组指针指向前32个打开的文件描述法};通过INIT_FILES宏初始化fs_struct结构:#define INIT_FILES { .count = ATOMIC_INIT(1), .file_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED, .max_fds = NR_OPEN_DEFAULT, .max_fdset = __FD_SETSIZE, .next_fd = 0, .fd = &init_files.fd_array[0]; .close_on_exec = &init_files.close_on_exec_init, .open_fds = &init_files.open_fds_init, .close_on_exec_init = {{0, }}, .open_fda_init = {{0, }}, .fd_array = {NULL, }}  NR_OPEN_DEFAULT的全局定义被设置为BITS_PER_LONG,BITS_PER_LONG在32位系统中是32,在64位系统中是64.  下面来介绍一下页缓冲,我们现在看看它是如何工作和实现的。在Linux中,内存被分成区,每个拥有活跃页的链表和不活跃的链表,当页不活跃的时候,就会被写回磁盘,下图说明了上述关系:  页缓冲的核心是address_space对象,其代码在include/linux/fs.h中可以查看(这段代码不是很懂,求大神指教):struct address_space{ struct inode *host; struct radix_tree_root page_tree; spinlock_t tree_lock; unsigned long nrpages; pgoff_t writeback; struct address_space_operations *a_ops; struct prio_tree_root i_map; unsigned inr i_map_lock; struct list_head i_mmap_nonlinear; spinlock_t i_mmap_lock; atomic_t truncate_count; unsigned long flags; struct backing_dev_info *backing_dev_info; spinlock_t private_lock; struct list_head private_list; struct address_space *assoc_mapping;};  Linux内核还把块设备上的每个扇区表示buffer_head结构,buffer_head结构应用的物理区是设备b_dev的逻辑块b_blocknr,引用的物理内存是起始于块大小为b_size个字节的b_data内存数据块,这个内存块在物理页b_page中,其结构如下图:  最后来说说VFS系统调用和文件系统层,并且追踪它们的执行直到内核级别,我们得先了解四个函数:open()、close()、read()、write()。open()函数:open 函数用于打开和创建文件。以下是 open 函数的简单描述#include <fcntl.h>int open(const char *pathname, int oflag, ... );返回值:成功则返回文件描述符,否则返回 -1对于 open 函数来说,第三个参数(...)仅当创建新文件时才使用,用于指定文件的访问权限位(access permission bits)。pathname 是待打开/创建文件的路径名(如 C:/cpp/a.cpp);oflag 用于指定文件的打开/创建模式,这个参数可由以下常量(定义于 fcntl.h)通过逻辑或构成。O_RDONLY只读模式 O_WRONLY只写模式 O_RDWR读写模式打开/创建文件时,至少得使用上述三个常量中的一个。以下常量是选用的:O_APPEND每次写操作都写入文件的末尾 O_CREAT如果指定文件不存在,则创建这个文件 O_EXCL如果要创建的文件已存在,则返回 -1,并且修改 errno 的值 O_TRUNC如果文件存在,并且以只写/读写方式打开,则清空文件全部内容 O_NOCTTY如果路径名指向终端设备,不要把这个设备用作控制终端。 O_NONBLOCK如果路径名指向 FIFO/块文件/字符文件,则把文件的打开和后继 I/O设置为非阻塞模式(nonblocking mode)以下三个常量同样是选用的,它们用于同步输入输出O_DSYNC等待物理 I/O 结束后再 write。在不影响读取新写入的数据的前提下,不等待文件属性更新。 O_RSYNCread 等待所有写入同一区域的写操作完成后再进行 O_SYNC等待物理 I/O 结束后再 write,包括更新文件属性的 I/Oopen 返回的文件描述符一定是最小的未被使用的描述符。如果 NAME_MAX(文件名最大长度,不包括'')是 14,而我们想在当前目录下创建文件名长度超过 14 字节的文件,早期的 System V 系统(如 SVR2)会截断超出部分,只保留前 14 个字节;而由 BSD 衍生的(BSD-derived)系统会返回错误信息,并且把 errno 置为 ENAMETOOLONG。POSIX.1引入常量_POSIX_NO_TRUNC用于决定是否截断长文件名/长路径名。如果_POSIX_NO_TRUNC 设定为禁止截断,并且路径名长度超过 PATH_MAX(包括 ''),或者组成路径名的任意文件名长度超过 NAME_MAX,则返回错误信息,并且把 errno 置为 ENAMETOOLONG。close()函数  进程使用完文件后,发出close()系统调用:  sysopsis#include <uniste.h>int close(int fd);参数:fd文件描述符函数返回值:0成功,-1出错参数fd是要关闭的文件描述符。需要说明的是:当一个进程终止时,内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭,所以即使用户程序不调用close,在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。但是对于一 个长年累月运行的程序(比如网络服务器),打开的文件描述符一定要记得关闭,否则随着打开的文件越来越多,会占用大量文件描述符和系统资源。 read()函数  当用户级别程序调用read()函数时,Linux把它转换成系统调用sys_read():功能描述: 从文件读取数据。所需头文件:#include <unistd.h>函数原型:ssize_tread(int fd, void *buf, size_t count);参数:fd:将要读取数据的文件描述词。 buf:指缓冲区,即读取的数据会被放到这个缓冲区中去。 count: 表示调用一次read操作,应该读多少数量的字符。返回值:返回所读取的字节数;0(读到EOF);-1(出错)。以下几种情况会导致读取到的字节数小于count :读取普通文件时,读到文件末尾还不够count 字节。例:如果文件只有 30 字节,而我们想读取 100,字节,那么实际读到的只有 30 字节, 函数返回 30 。此时再使用 read 函数作用于这个文件会导致 read 返回 0 从终端设备(terminal device)读取时,一般情况下每次只能读取一行。 从网络读取时,网络缓存可能导致读取的字节数小于 count字节。 读取 pipe 或者 FIFO 时,pipe 或 FIFO 里的字节数可能小于count 。 从面向记录(record-oriented)的设备读取时,某些面向记录的设备(如磁带)每次最多只能返回一个记录。 在读取了部分数据时被信号中断,读操作始于 cfo 。在成功返回之前,cfo 增加,增量为实际读取到的字节数。例程如下(程序是网上找的例子,贴下来以以供大家理解一下):: 1 #include <stdio.h> 2 #include <io.h> 3 #include <alloc.h> 4 #include <fcntl.h> 5 #include <process.h> 6 #include <sysstat.h> 7 int main(void) 8 { 9 void* buf ;10 int handle;11 int bytes ;12 buf=malloc(10);13 /*14 LooksforafileinthecurrentdirectorynamedTEST.$$$andattempts15 toread10bytesfromit.Tousethisexampleyoushouldcreatethe16 fileTEST.$$$17 */18 handle=open('TEST.$$$',O_RDONLY|O_BINARY,S_IWRITE|S_IREAD);19 if(handle==-1)20 {21 printf('ErrorOpeningFile');22 exit(1);23 }24 bytes=read(handle,buf,10);25 if(bytes==-1)26 {27 printf('ReadFailed.');28 exit(1);29 }30 else 31 {32 printf('Read:%dbytesread.',bytes);33 }34 return0 ;35 }write()函数功能描述: 向文件写入数据。所需头文件:#include <unistd.h>函数原型:ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count);返回值:写入文件的字节数(成功);-1(出错)功能:write 函数向 filedes 中写入count 字节数据,数据来源为 buf 。返回值一般总是等于 count,否则就是出错了。常见的出错原因是磁盘空间满了或者超过了文件大小限制。对于普通文件,写操作始于 cfo 。如果打开文件时使用了 O_APPEND,则每次写操作都将数据写入文件末尾。成功写入后,cfo 增加,增量为实际写入的字节数。例程如下(程序是网上找的例子,贴下来以以供大家理解一下): 1 #include <stdio.h> 2 #include <stdlib.h> 3 #include <fcntl.h> 4 #include <sysstat.h> 5 #include <io.h> 6 #include <string.h> 7 int main(void) 8 { 9 int *handle; char string[40];10 int length, res;/* Create a file named 'TEST.$$$' in the current directory and write a string to it. If 'TEST.$$$' already exists, it will be overwritten. */11 if ((handle = open('TEST.$$$', O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IREAD | S_IWRITE)) == -1)12 {13 printf('Error opening file.');14 exit(1);15 }16 strcpy(string, 'Hello, world!');17 length = strlen(string);18 if ((res = write(handle, string, length)) != length)19 {20 printf('Error writing to the file.');21 exit(1);22 }23 printf('Wrote %d bytes to the file.', res);24 close(handle); return 0; }  小结  今天看的代码不多,差不多都是网上找的代码,有些解释也是查阅资料写上去的,有些还是不懂,希望各路大神指教,这里我总结了有关Linux文件系统实现的问题,但是具体的细节方面并没有提及到,大家看了之后应该只能有一个大致的最Linux文件系统的了解,有读者问我看的是哪些书,这里我说明一下,看了Linux内核编程,还有深入理解Linux内核以及网上各种资料或者其他大牛写的好的博客。这里我是总结了一下,并且把自己不懂的还有觉得重要的说了一下,希望各位大神给些建议,thanks~  版权所有,转载请注明转载地址:http://www.cnblogs.com/lihuidashen/p/4246121.html


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2019-May-25 12:56pm
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