linux文件系统

术语表：

struct task：进程

struct mnt_namespace：命名空间

struct mount：挂载点

struct vfsmount：挂载项

struct file：文件

struct super_block：超级块

struct dentry：目录

struct inode：索引节点

一、目的

    linux文件系统主要分为三个部分：文件系统调用；虚拟文件系统(VFS)；挂载到VFS的实际文件系统。

    其中，VFS是核心，linux文件系统的本质就是在内存中创建一棵VFS树。当根目录被创建后，用户就可以使用系统调用在VFS上创建文件、删除文件、挂载各种文件系统等操作。

    该系列文章主要分析linux3.10文件系统初始化过程，分为三个阶段：

    1、挂载根文件系统(rootfs)；

    2、加载initrd；

    3、挂载磁盘文件系统；

 

二、常用数据结构

    linux文件系统中重要的数据结构有：文件、挂载点、超级块、目录项、索引节点等。每个数据结构的具体实现请参见源代码，这里不再描述。

    为了直观的表示数据结构之间的关系，请参见图1：图中含有两个文件系统（红色和绿色表示的部分），并且绿色文件系统挂载在红色文件系统tmp目录下。一般来说，每个文件系统在VFS层都是由挂载点、超级块、目录和索引节点组成；当挂载一个文件系统时，实际也就是创建这四个数据结构的过程，因此这四个数据结构的地位很重要，关系也很紧密。由于VFS要求实际的文件系统必须提供以上数据结构，所以不同的文件系统在VFS层可以互相访问。

    如果进程打开了某个文件，还会创建file(文件)数据结构，这样进程就可以通过file来访问VFS的文件系统了。

    另外，该图只给出了主要的关系结构，忽略了部分细节。

                               图1

 

三、函数调用关系

    图2描述了文件系统初始化过程中主要的函数调用关系。linux文件系统初始化过程主要分为三个阶段：

    1、vfs_caches_init()负责挂载rootfs文件系统，并创建了第一个挂载点目录：'/'；

    2、rest_init()负责加载initrd文件，扩展VFS树，创建基本的文件系统目录拓扑；

    3、init程序负责挂载磁盘文件系统，并将文件系统的根目录从rootfs切换到磁盘文件系统；

                   图2

 

四、总结

    linux文件系统初始化过程主要分为三个阶段：挂载rootfs，提供第一个挂载点''/；加载initrd，扩展VFS树；执行init程序，完成linux系统的初始化。下面会详细介绍每个阶段的主要内容。

 

挂载rootfs文件系统

一、目的

    本文主要讲述linux3.10文件系统初始化过程的第一阶段：挂载rootfs文件系统。

    rootfs是基于内存的文件系统，所有操作都在内存中完成；也没有实际的存储设备，所以不需要设备驱动程序的参与。基于以上原因，linux在启动阶段使用rootfs文件系统，当磁盘驱动程序和磁盘文件系统成功加载后，linux系统会将系统根目录从rootfs切换到磁盘文件系统。

 

二、主要函数调用过程

    图1描述了挂载rootfs的函数调用关系(图中红色部分)，便于后面的分析。

    从图中发现，在挂载rootfs前会先挂载sysfs，这样做的原因是确保sysfs能够完整的记录下设备驱动模型。

    sysfs_init()完成注册和挂载sysfs文件系统的功能；init_rootfs()负责注册rootfs，init_mount_tree()负责挂载rootfs，并将init_task的命名空间与之联系起来。

                                   图1

 

三、linux文件系统初始化

    vfs_cache_init()首先建立并初始化目录hash表dentry_hashtable和索引节点hash表inode_hashtable；然后设置内核可以打开的最大文件数；最后调用mnt_init()完成sysfs和rootfs文件系统的注册和挂载。

    linux使用哈希表存储目录和索引节点，以提高目录和索引节点的查找效率；dentry_hashtable是目录哈希表，inode_hashtable是索引节点哈希表。

 

四、挂载sysfs文件系统

    sysfs用来记录和展示linux驱动模型，sysfs先于rootfs挂载是为全面展示linux驱动模型做好准备。

    mnt_init()调用sysfs_init()注册并挂载sysfs文件系统，然后调用kobject_create_and_add()创建"fs"目录。

2735 err = sysfs_init();  
2736 if (err)  
2737 printk(KERN_WARNING "%s: sysfs_init error: %d
",  
2738 __func__, err);  
2739 fs_kobj = kobject_create_and_add("fs", NULL);  
2740 if (!fs_kobj)  
2741 printk(KERN_WARNING "%s: kobj create error
", __func__);  

    下面详细介绍sysfs文件系统的挂载过程：

    1、sysfs_init()调用register_filesystem()注册文件系统类型sysfs_fs_type，并加入到全局单链表file_systems中。sysfs_fs_type定义如下，.mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的创建和初始化工作。

173     err = register_filesystem(&sysfs_fs_type);  
174     if (!err) {  
175         sysfs_mnt = kern_mount(&sysfs_fs_type);  
176         if (IS_ERR(sysfs_mnt)) {  
177             printk(KERN_ERR "sysfs: could not mount!
");  
178             err = PTR_ERR(sysfs_mnt);  
179             sysfs_mnt = NULL;  
180             unregister_filesystem(&sysfs_fs_type);  
181             goto out_err;  
182         }   

 
152 static struct file_system_type sysfs_fs_type = {  
153     .name       = "sysfs",  
154     .mount      = sysfs_mount,  
155     .kill_sb    = sysfs_kill_sb,  
156     .fs_flags   = FS_USERNS_MOUNT,  
157 };  
 

    2、sysfs_init()->kern_mount()->vfs_kern_mount()创建并初始化struct mount挂载点，并使用全局变量sysfs_mnt保存该挂载点的挂载项(mnt成员)。

 
783     mnt = alloc_vfsmnt(name);  
784     if (!mnt)  
785         return ERR_PTR(-ENOMEM);  
 

    3、kern_mount()调用sysfs_fs_type的.mount成员sysfs_mount()创建并初始化超级块、根目录'/'、根目录的索引节点等数据结构；并且把超级块添加到全局单链表super_blocks中，把索引节点添加到hash表inode_hashtable和超级块的inode链表中。

    目前，我们可以得出一个重要结论：kern_mount()主要完成挂载点、超级块、根目录和索引节点的创建和初始化操作，可以看成是一个原子操作，这个函数以后会频繁使用。

790     root = mount_fs(type, flags, name, data);  
1091 struct dentry *  
1092 mount_fs(struct file_system_type *type, int flags, const char *name, void*data)  
1093 {  
1094     struct dentry *root;  
              ...  
1108   
1109     root = type->mount(type, flags, name, data);  

 
107 static struct dentry *sysfs_mount(struct file_system_type *fs_type,  
108     int flags, const char *dev_name, void *data)  
109 {                 ...  
112     struct super_block *sb;  
                  ...  
125     sb = sget(fs_type, sysfs_test_super, sysfs_set_super, flags, info);  
            ...  
130     if (!sb->s_root) {  
131         error = sysfs_fill_super(sb, data, flags & MS_SILENT ? 1 : 0);  
      4、vfs_kern_mount()初始化挂载点的根目录和超级块。

 

 

796 mnt->mnt.mnt_root = root;  
797 mnt->mnt.mnt_sb = root->d_sb;  
798 mnt->mnt_mountpoint = mnt->mnt.mnt_root;  
799 mnt->mnt_parent = mnt;  
 

    5、mnt_init()调用kobject_create_and_add()创建"fs"目录。

 

    通过以上步骤，sysfs文件系统在VFS中的视图如图2所示：挂载点指向超级块和根目录；超级块处在super_blocks单链表中，并且链接起所有属于该文件系统的索引节点；根目录'/'和目录"fs"指向各自的索引节点；为了提高查找效率，索引节点保存在hash表中。

                    图2

 

五、挂载rootfs文件系统

    mnt_init()调用init_rootfs()注册rootfs，然后调用init_mount_tree()挂载rootfs。

    下面详细介绍rootfs文件系统的挂载过程：
    1、mnt_init()调用init_rootfs()注册文件系统类型rootfs_fs_type，并加入到全局单链表file_systems中。

rootfs_fs_type定义如下，mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的建立和初始化工作。

265 static struct file_system_type rootfs_fs_type = {  
266     .name       = "rootfs",  
267     .mount      = rootfs_mount,  
268     .kill_sb    = kill_litter_super,  
269 };  

    2、init_mount_tree()调用vfs_kern_mount()挂载rootfs文件系统，详细的挂载过程与sysfs文件系统类似，不再赘述。

    3、init_mount_tree()调用create_mnt_ns()创建命名空间，并设置该命名空间的挂载点为rootfs的挂载点，同时将rootfs的挂载点链接到该命名空间的双向链表中。

 

2459 static struct mnt_namespace *create_mnt_ns(struct vfsmount *m)  
2460 {  
2461     struct mnt_namespace *new_ns = alloc_mnt_ns(&init_user_ns);  
2462     if (!IS_ERR(new_ns)) {  
2463         struct mount *mnt = real_mount(m);  
2464         mnt->mnt_ns = new_ns;  
2465         new_ns->root = mnt;  
2466         list_add(&mnt->mnt_list, &new_ns->list);  
2467     }   
 

    4、init_mount_tree()设置init_task的命名空间，同时调用set_fs_pwd()和set_fs_root()设置init_task任务的当前目录和根目录为rootfs的根目录'/'。

 

2696     ns = create_mnt_ns(mnt);  
2697     if (IS_ERR(ns))  
2698         panic("Can't allocate initial namespace");  
2699   
2700     init_task.nsproxy->mnt_ns = ns;  
2701     get_mnt_ns(ns);  
2702   
2703     root.mnt = mnt;  
2704     root.dentry = mnt->mnt_root;  
2705   
2706     set_fs_pwd(current->fs, &root);  
2707     set_fs_root(current->fs, &root);  

    通过以上分析，我们发现sysfs和rootfs的区别在于：虽然系统同时挂载了sysfs和rootfs文件系统，但是只有rootfs处于init_task进程的命名空间内，也就是说系统当前实际使用的是rootfs文件系统。

    此时，sysfs和rootfs在VFS中的视图如图3所示：为了突出主要关系，省略了挂载点指向超级块和根目录。
从图中看出，rootfs处于进程的命名空间中，并且进程的fs_struct数据结构的root和pwd都指向了rootfs的根目录'/'，所以用户实际使用的是rootfs文件系统。另外，rootfs为VFS提供了'/'根目录，所以文件操作和文件系统的挂载操作都可以在VFS上进行了。

                   图3

 

六、总结

    linux文件系统在初始化时，同时挂载了sysfs和rootfs文件系统，但是只有rootfs处于进程的命名空间中，且进程的root目录和pwd目录都指向rootfs的根目录。至此，linux的VFS已经准备好了根目录(rootfs的根目录'/')，此时用户可以使用系统调用对VFS树进行扩展。