Linux文件系统之Mount流程分析

转载：原文地址http://www.linuxeye.com/linuxrumen/1121.html

本质上，Ext3 mount的过程实际上是inode被替代的过程。例如，/dev/sdb块设备被mount到/mnt/alan目录。那么mount这个过程所需要解决的问题就是将/mnt/alan的dentry目录项所指向的inode屏蔽掉，然后重新定位到/dev/sdb所表示的inode索引节点。在没有分析阅读linux vfs mount代码的时候，我的想法是修改dentry所指向的inode索引节点，以此实现mount文件系统的访问。经过分析，在实际的vfs mount实现过程中，还是和我原始的想法略有差别，但是，基本目标还是相同的。
 
Linux VFS的mount过程基本原理如下图所示：

当用户输入”mount /dev/sdb /mnt/alan”命令后，Linux会解析/mnt/alan字符串，并且从Dentry Hash表中获取相关的dentry目录项，然后将该目录项标识成DCACHE_MOUNTED。一旦该dentry被标识成DCACHE_MOUNTED，也就意味着在访问路径上对其进行了屏蔽。
 
在mount /dev/sdb设备上的ext3文件系统时，内核会创建一个该文件系统的superblock对象，并且从/dev/sdb设备上读取所有的superblock信息，初始化该内存对象。Linux内核维护了一个全局superblock对象链表。s_root是superblock对象所维护的dentry目录项，该目录项是该文件系统的根目录。即新mount的文件系统内容都需要通过该根目录进行访问。在mount的过程中，VFS会创建一个非常重要的vfsmount对象，该对象维护了文件系统mount的所有信息。Vfsmount对象通过HASH表进行维护，通过path地址计算HASH值，在这里vfsmount的HASH值通过“/mnt/alan”路径字符串进行计算得到。Vfsmount中的mnt_root指向superblock对象的s_root根目录项。因此，通过/mnt/alan地址可以检索VFSMOUNT Hash Table得到被mount的vfsmount对象，进而得到mnt_root根目录项。
 
例如，/dev/sdb被mount之后，用户想要访问该设备上的一个文件ab.c，假设该文件的地址为：/mnt/alan/ab.c。在打开该文件的时候，首先需要进行path解析。在解析到/mnt/alan的时候，得到/mnt/alan的dentry目录项，并且发现该目录项已经被标识为DCACHE_MOUNTED。之后，会采用/mnt/alan计算HASH值去检索VFSMOUNT Hash Table，得到对应的vfsmount对象，然后采用vfsmount指向的mnt_root目录项替代/mnt/alan原来的dentry，从而实现了dentry和inode的重定向。在新的dentry的基础上，解析程序继续执行，最终得到表示ab.c文件的inode对象。
 
关键数据结构说明
Linux VFS mount所涉及的关键数据结构分析如下。

Vfsmount数据结构
Vfsmount数据结构是vfs mount最为重要的数据结构，其维护了一个mount点的所有信息。该数据结构描述如下：

struct vfsmount {  
    struct list_head mnt_hash;  /* 连接到VFSMOUNT Hash Table */  
    struct vfsmount *mnt_parent;    /* 指向mount树中的父节点 */  
    struct dentry *mnt_mountpoint;  /* 指向mount点的目录项 */  
    struct dentry *mnt_root;    /* 被mount的文件系统根目录项 */  
    struct super_block *mnt_sb; /* 指向被mount的文件系统superblock */  
#ifdef CONFIG_SMP  
    struct mnt_pcp __percpu *mnt_pcp;  
    atomic_t mnt_longterm;      /* how many of the refs are longterm */  
#else  
    int mnt_count;  
    int mnt_writers;  
#endif  
    struct list_head mnt_mounts;    /* 下级（child）vfsmount对象链表 */  
    struct list_head mnt_child; /* 链入上级vfsmount对象的链表点 */  
    int mnt_flags;  
    /* 4 bytes hole on 64bits arches without fsnotify */  
#ifdef CONFIG_FSNOTIFY  
    __u32 mnt_fsnotify_mask;  
    struct hlist_head mnt_fsnotify_marks;  
#endif  
    const char *mnt_devname;    /* 文件系统所在的设备名字，例如/dev/sdb */  
    struct list_head mnt_list;  
    struct list_head mnt_expire;    /* link in fs-specific expiry list */  
    struct list_head mnt_share; /* circular list of shared mounts */  
    struct list_head mnt_slave_list;/* list of slave mounts */  
    struct list_head mnt_slave; /* slave list entry */  
    struct vfsmount *mnt_master;    /* slave is on master->mnt_slave_list */  
    struct mnt_namespace *mnt_ns;   /* containing namespace */  
    int mnt_id;         /* mount identifier */  
    int mnt_group_id;       /* peer group identifier */  
    int mnt_expiry_mark;        /* true if marked for expiry */  
    int mnt_pinned;  
    int mnt_ghosts;  
};

在Linux内核中不仅存在VFSMOUNT的Hash Table，而且还维护了一棵Mount对象树，通过该mount树，我们可以了解到各个文件系统之间的关系。该mount树描述如下：

上图所示为三层mount文件系统树。第一层为系统根目录“/”；第二层有两个mount点，一个为/mnt/a，另一个是/mnt/b；第三层在/mnt/a的基础上又创建了两个mount点，分别为/mnt/a/c和/mnt/a/d。通过mount树，可以对整个系统的mount结构一目了然。
 
Superblock数据结构
每个文件系统都会拥有一个superblock对象对其基本信息进行描述。对于像ext3之类的文件系统而言，在磁盘上会持久化存储一份superblock元数据信息，内存的superblock对象由磁盘上的信息初始化。对于像block device 之类的“伪文件系统”而言，在mount的时候也会创建superblock对象，只不过很多信息都是临时生成的，没有持久化信息。Vfs superblock数据结构定义如下：

struct super_block {  
    struct list_head    s_list;     /* 链入全局链表的对象*/  
    dev_t           s_dev;      /* search index; _not_ kdev_t */  
    unsigned char       s_dirt;  
    unsigned char       s_blocksize_bits;  
    unsigned long       s_blocksize;  
    loff_t          s_maxbytes; /* Max file size */  
    struct file_system_type *s_type;  
    const struct super_operations   *s_op;      /* superblock操作函数集 */  
    const struct dquot_operations   *dq_op;  
    const struct quotactl_ops   *s_qcop;  
    const struct export_operations *s_export_op;  
    unsigned long       s_flags;  
    unsigned long       s_magic;  
    struct dentry       *s_root;    /* 文件系统根目录项 */  
    struct rw_semaphore s_umount;  
    struct mutex        s_lock;  
    int         s_count;  
    atomic_t        s_active;  
#ifdef CONFIG_SECURITY  
    void                    *s_security;  
#endif  
    const struct xattr_handler **s_xattr;  
 
    struct list_head    s_inodes;   /* all inodes */  
    struct hlist_bl_head    s_anon;     /* anonymous dentries for (nfs) exporting */  
#ifdef CONFIG_SMP  
    struct list_head __percpu *s_files;  
#else  
    struct list_head    s_files;  
#endif  
    /* s_dentry_lru, s_nr_dentry_unused protected by dcache.c lru locks */  
    struct list_head    s_dentry_lru;   /* unused dentry lru */  
    int         s_nr_dentry_unused; /* # of dentry on lru */  
 
    /* s_inode_lru_lock protects s_inode_lru and s_nr_inodes_unused */  
    spinlock_t      s_inode_lru_lock ____cacheline_aligned_in_smp;  
    struct list_head    s_inode_lru;        /* unused inode lru */  
    int         s_nr_inodes_unused; /* # of inodes on lru */  
 
    struct block_device *s_bdev;  
    struct backing_dev_info *s_bdi;  
    struct mtd_info     *s_mtd;  
    struct list_head    s_instances;  
    struct quota_info   s_dquot;    /* Diskquota specific options */  
 
    int         s_frozen;  
    wait_queue_head_t   s_wait_unfrozen;  
 
    char s_id[32];              /* Informational name */  
    u8 s_uuid[16];              /* UUID */  
 
    void            *s_fs_info; /* Filesystem private info */  
    fmode_t         s_mode;  
 
    /* Granularity of c/m/atime in ns.  
       Cannot be worse than a second */  
    u32        s_time_gran;  
 
    /*  
     * The next field is for VFS *only*. No filesystems have any business  
     * even looking at it. You had been warned.  
     */  
    struct mutex s_vfs_rename_mutex;    /* Kludge */  
 
    /*  
     * Filesystem subtype.  If non-empty the filesystem type field  
     * in /proc/mounts will be "type.subtype"  
     */  
    char *s_subtype;  
 
    /*  
     * Saved mount options for lazy filesystems using  
     * generic_show_options()  
     */  
    char __rcu *s_options;  
    const struct dentry_operations *s_d_op; /* default d_op for dentries */  
 
    /*  
     * Saved pool identifier for cleancache (-1 means none)  
     */  
    int cleancache_poolid;  
 
    struct shrinker s_shrink;   /* per-sb shrinker handle */  
};

代码流程分析
Linux中实现mount操作需要一定的代码量，下面对Linux VFS Mount代码进行分析说明，整个分析过程按照mount操作函数调用流程进行。代码分析基于Linux-3.2版本。
 
当用户在用户层执行mount命令时，会执行系统调用从用户态陷入linux内核，执行如下函数（namespace.c）：

SYSCALL_DEFINE5(mount, char __user *, dev_name, char __user *, dir_name,  
        char __user *, type, unsigned long, flags, void __user *, data)  
{  
    int ret;  
    char *kernel_type;  
    char *kernel_dir;  
    char *kernel_dev;  
    unsigned long data_page;  
    /* 获取mount类型 */  
    ret = copy_mount_string(type, &kernel_type);  
    if (ret < 0)  
        goto out_type;  
    /* 获取mount点目录字符串 */  
    kernel_dir = getname(dir_name);  
    if (IS_ERR(kernel_dir)) {  
        ret = PTR_ERR(kernel_dir);  
        goto out_dir;  
    }  
    /* 获取设备名称字符串 */  
    ret = copy_mount_string(dev_name, &kernel_dev);  
    if (ret < 0)  
        goto out_dev;  
    /* 获取其它选项 */  
    ret = copy_mount_options(data, &data_page);  
    if (ret < 0)  
        goto out_data;  
    /* 主要函数，执行挂载文件系统的具体操作 */  
    ret = do_mount(kernel_dev, kernel_dir, kernel_type, flags,  
        (void *) data_page);  
 
    free_page(data_page);  
out_data:  
    kfree(kernel_dev);  
out_dev:  
    putname(kernel_dir);  
out_dir:  
    kfree(kernel_type);  
out_type:  
    return ret;  
}

do_mount()函数是mount操作过程中的核心函数，在该函数中，通过mount的目录字符串找到对应的dentry目录项，然后通过do_new_mount()函数完成具体的mount操作。do_mount()函数分析如下：

long do_mount(char *dev_name, char *dir_name, char *type_page,  
          unsigned long flags, void *data_page)  
{  
    struct path path;  
    int retval = 0;  
    int mnt_flags = 0;  
 
。。。  
 
    /* 通过mount目录字符串获取path，path结构中包含有mount目录的dentry目录对象 */  
    retval = kern_path(dir_name, LOOKUP_FOLLOW, &path);  
    if (retval)  
        return retval;  
 
    。。。  
 
    /* Separate the per-mountpoint flags */  
    if (flags & MS_NOSUID)  
        mnt_flags |= MNT_NOSUID;  
    if (flags & MS_NODEV)  
        mnt_flags |= MNT_NODEV;  
    if (flags & MS_NOEXEC)  
        mnt_flags |= MNT_NOEXEC;  
    if (flags & MS_NOATIME)  
        mnt_flags |= MNT_NOATIME;  
    if (flags & MS_NODIRATIME)  
        mnt_flags |= MNT_NODIRATIME;  
    if (flags & MS_STRICTATIME)  
        mnt_flags &= ~(MNT_RELATIME | MNT_NOATIME);  
    if (flags & MS_RDONLY)  
        mnt_flags |= MNT_READONLY;  
 
    flags &= ~(MS_NOSUID | MS_NOEXEC | MS_NODEV | MS_ACTIVE | MS_BORN |  
           MS_NOATIME | MS_NODIRATIME | MS_RELATIME| MS_KERNMOUNT |  
           MS_STRICTATIME);  
 
    /* remount操作 */  
    if (flags & MS_REMOUNT)  
        retval = do_remount(&path, flags & ~MS_REMOUNT, mnt_flags,  
                    data_page);  
    else if (flags & MS_BIND)  
        retval = do_loopback(&path, dev_name, flags & MS_REC);  
    else if (flags & (MS_SHARED | MS_PRIVATE | MS_SLAVE | MS_UNBINDABLE))  
        retval = do_change_type(&path, flags);  
    else if (flags & MS_MOVE)  
        retval = do_move_mount(&path, dev_name);  
    else  
        /* 正常的mount操作，完成具体的mount操作 */  
        retval = do_new_mount(&path, type_page, flags, mnt_flags,  
                      dev_name, data_page);  
dput_out:  
    path_put(&path);  
    return retval;  
}

do_new_mount()函数主要分成两大部分：第一部分建立vfsmount对象和superblock对象，必要时从设备上获取文件系统元数据；第二部分将vfsmount对象加入到mount树和Hash Table中，并且将原来的dentry对象无效掉。do_new_mount函数说明如下：

static int do_new_mount(struct path *path, char *type, int flags,  
            int mnt_flags, char *name, void *data)  
{  
    struct vfsmount *mnt;  
    int err;  
 
    。。。  
 
    /* 在内核建立vfsmount对象和superblock对象 */  
    mnt = do_kern_mount(type, flags, name, data);  
    if (IS_ERR(mnt))  
        return PTR_ERR(mnt);  
    /* 将vfsmount对象加入系统，屏蔽原有dentry对象 */  
    err = do_add_mount(mnt, path, mnt_flags);  
    if (err)  
        mntput(mnt);  
    return err;  
}

do_new_mount()中的第一步调用do_kern_mount()函数，该函数的主干调用路径如下：
do_kern_mount--> vfs_kern_mount--> mount_fs
在mount_fs()函数中会调用特定文件系统的mount方法，如果mount是ext3文件系统，那么在mount_fs函数中最终会调用ext3的mount方法。Ext3的mount方法定义在super.c文件中：

static struct file_system_type ext3_fs_type = {  
    .owner      = THIS_MODULE,  
    .name       = "ext3",  
    .mount      = ext3_mount,       /* ext3文件系统mount方法 */  
    .kill_sb    = kill_block_super,  
    .fs_flags   = FS_REQUIRES_DEV,  
};

ext3 mount函数主干调用路径为：ext3_mount--> mount_bdev。Mount_bdev()函数主要完成superblock对象的内存初始化，并且加入到全局superblock链表中。该函数说明如下：

struct dentry *mount_bdev(struct file_system_type *fs_type,  
    int flags, const char *dev_name, void *data,  
    int (*fill_super)(struct super_block *, void *, int))  
{  
    struct block_device *bdev;  
    struct super_block *s;  
    fmode_t mode = FMODE_READ | FMODE_EXCL;  
    int error = 0;  
 
    if (!(flags & MS_RDONLY))  
        mode |= FMODE_WRITE;  
    /* 通过设备名字获取被mount设备的bdev对象 */  
    bdev = blkdev_get_by_path(dev_name, mode, fs_type);  
    if (IS_ERR(bdev))  
        return ERR_CAST(bdev);  
 
    /*  
     * once the super is inserted into the list by sget, s_umount  
     * will protect the lockfs code from trying to start a snapshot  
     * while we are mounting  
     */  
    mutex_lock(&bdev->bd_fsfreeze_mutex);  
    if (bdev->bd_fsfreeze_count > 0) {  
        mutex_unlock(&bdev->bd_fsfreeze_mutex);  
        error = -EBUSY;  
        goto error_bdev;  
    }  
    /* 查找或者创建superblock对象 */  
    s = sget(fs_type, test_bdev_super, set_bdev_super, bdev);  
    mutex_unlock(&bdev->bd_fsfreeze_mutex);  
    if (IS_ERR(s))  
        goto error_s;  
 
    if (s->s_root) {  
        /* 被mount文件系统的根目录项已经存在 */  
        if ((flags ^ s->s_flags) & MS_RDONLY) {  
            deactivate_locked_super(s);  
            error = -EBUSY;  
            goto error_bdev;  
        }  
 
        /*  
         * s_umount nests inside bd_mutex during  
         * __invalidate_device().  blkdev_put() acquires  
         * bd_mutex and can't be called under s_umount.  Drop  
         * s_umount temporarily.  This is safe as we're  
         * holding an active reference.  
         */  
        up_write(&s->s_umount);  
        blkdev_put(bdev, mode);  
        down_write(&s->s_umount);  
    } else {  
        /* 文件系统根目录项不存在，通过filler_super函数读取磁盘上的superblock元数据信息，并且初始化superblock内存结构 */  
        char b[BDEVNAME_SIZE];  
 
        s->s_flags = flags | MS_NOSEC;  
        s->s_mode = mode;  
        strlcpy(s->s_id, bdevname(bdev, b), sizeof(s->s_id));  
        sb_set_blocksize(s, block_size(bdev));  
        /* 对于ext3文件系统，调用ext3_fill_super函数 */  
        error = fill_super(s, data, flags & MS_SILENT ? 1 : 0);  
        if (error) {  
            deactivate_locked_super(s);  
            goto error;  
        }  
 
        s->s_flags |= MS_ACTIVE;  
        bdev->bd_super = s;  
    }  
    /* 正常返回被mount文件系统根目录项 */  
    return dget(s->s_root);  
 
error_s:  
    error = PTR_ERR(s);  
error_bdev:  
    blkdev_put(bdev, mode);  
error:  
    return ERR_PTR(error);  
}

do_new_mount()函数的第二步是将创建的vfsmount对象加入到mount树和VFSMOUNT Hash Table中，并且将老的dentry目录项无效掉。该过程主干函数调用过程如下所示：
do_new_mount--> do_add_mount--> graft_tree--> attach_recursive_mnt

attach_recursive_mnt()函数完成第二步过程的主要操作。至此，文件系统的mount操作已经完成。Mount完成之后，如果用户想要访问新mount文件系统中的文件，那么需要在path解析过程中重定位dentry，该过程主要在follow_managed()函数中完成。在该函数中会判断一个dentry是否已经被标识成DCACHE_MOUNTED，如果该标志位已经被设置，那么通过VFSMOUNT Hash Table可以重定位dentry。