嵌入式 Linux根文件系统移植之Linux文件系统简介

学号：16020311003    姓名：杨虎成

【嵌牛导读】Linux支持多种文件系统，文件系统接口实现为分层的体系结构，将用户接口层、文件系统实现和操作存储设备的驱动程序分隔开

【嵌牛鼻子】Linux的每个文件系统的所有细节进行抽象，使得不同的文件系统在Linux核心以及系统中运行的其他进程看来，都是相同的，这种抽象的结构就是通用文件模型

【嵌牛提问】Linux文件系统如何移植设备上的数据

【嵌牛正文】

嵌入式ARM

一、文件系统的体系结构

文件系统是对存储设备上的数据和元数据进行组织的机制，便于用户和操作系统的交互。Linux支持多种文件系统，文件系统接口实现为分层的体系结构，将用户接口层、文件系统实现和操作存储设备的驱动程序分隔开。

用户空间包含一些应用程序（例如，文件系统的使用者）和 GNU C库（glibc），为文件系统调用（打开、读取、写和关闭）提供用户接口。系统调用接口的作用就像是交换器，将系统调用从用户空间发送到内核空间中的适当端点。

VFS 是底层文件系统的主要接口，会导出一组接口，抽象到各个文件系统。有两个针对文件系统对象的缓存（inode 和 dentry），用于缓存最近使用过的文件系统对象。

每个文件系统的实现（比如 ext2、yaffs2等等）导出一组通用接口，供VFS使用。缓冲区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。例如，对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递，允许在缓冲区缓存请求，减少访问物理设备的次数，加快访问速度。以最近使用（LRU）列表的形式管理缓冲区缓存。但是，可以使用sync命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体（迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序，进而发送到存储设备）。

二、虚拟文件系统层

VFS 作为文件系统接口的根层。VFS 记录当前支持的文件系统以及当前挂装的文件系统。VFS并不是一种实际的文件系统，只存在于内存中，不存在于任何外存空间。VFS在系统启动时建立，在系统关闭时消亡。

可以使用一组注册函数在Linux中动态地添加或删除文件系统。kernel保存当前支持的文件系统的列表，可以通过 /proc 文件系统在用户空间中查看这个列表。proc虚拟文件系统还显示当前与所支持文件系统相关联的设备。在Linux中添加新文件系统的方法是调用register_filesystem，函数的参数定义一个文件系统结构（file_system_type）的引用，文件系统结构定义了文件系统的名称、一组属性和两个超级块函数。register_filesystem函数也可以注销文件系统。

在注册新的文件系统时，会把要注册的新文件系统及其相关信息添加到 file_systems链表中（linux/include/linux/fs.h）。file_systems列表定义可以支持的文件系统。在命令行上输入cat /proc/filesystems，就可以查看当前linux系统支持的文件系统类型。

VFS 中维护的另一个结构是挂载的文件系统，提供当前挂载的文件系统（见 linux/include/linux/mount.h），链接超级块结构。

三、文件的结构

VFS对Linux的每个文件系统的所有细节进行抽象，使得不同的文件系统在Linux核心以及系统中运行的其他进程看来，都是相同的，这种抽象的结构就是通用文件模型，由超级块（superblock）、inode、dentry 和文件组成。超级块在每个文件系统的根上，用于描述和维护文件系统的状态。文件系统中管理的每个文件（文件、目录、设备，linux中一切皆是文件）在 Linux 中表示为一个 inode。inode 包含管理文件系统中的文件所需的所有元数据（包括可以在文件上执行的操作）。dentry用来实现文件名称和inode之间的映射，有一个目录缓存用来保存最近使用的dentry。dentry还维护目录和文件之间的关系，从而支持文件在文件系统中移动。VFS文件表示一个打开的文件（保存打开的文件的状态，比如写偏移量等等）。

1、超级块

超级块结构表示一个文件系统，包含管理文件系统所需的信息，包括文件系统名称（比如 ext2）、文件系统的大小和状态、块设备的引用和元数据信息（比如空闲列表等等）。超级块通常存储在存储媒体上，但是如果超级块不存在，也可以实时创建它。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到超级块结构。

1.  超级块中的一个重要元素是超级块操作的定义super_operations，super_operations结构定义一组用来管理文件系统中的 inode 的函数。例如，可以用alloc_inode分配 inode，用destroy_inode删除inode。可以用read_inode和 write_inode读写inode，用sync_fs执行文件系统同步。可以在 /linux/include/linux/fs.h 中找到 super_operations 结构。每个文件系统提供自己的inode方法，这些方法实现操作并向 VFS 层提供通用的抽象。

2、inode结构

inode 表示文件系统中的一个对象，具有惟一标识符。各个文件系统提供将文件名映射为惟一inode标识符和inode引用的方法。inode结构中的inode_operations 和 file_operations是重要的操作方法成员。inode_operations 定义直接在inode上执行的操作，而file_operations定义与文件和目录相关的方法（标准系统调用）。

3、目录项dentry

    目录项是描述文件的逻辑属性，只存在于内存中，并没有实际对应的磁盘上的描述，更确切的说是存在于内存的目录项缓存，为了提高查找性能而设计。所有的文件，都是属于目录项，所有的目录项在一起构成一颗庞大的目录树。

1.        inode 和目录缓存分别保存最近使用的 inode 和 dentry。注意，对于 inode 缓存中的每个 inode，在目录缓存中都有一个对应的 dentry。

4、file文件对象

文件对象是已打开的文件在内存中的表示，主要用于建立进程和磁盘上的文件的对应关系，由sys_open() 现场创建，由sys_close()销毁。文件对象和物理文件的关系有点像进程和程序的关系一样。

四、缓冲区缓存

各个文件系统的实现在linux/fs中，文件系统层的底部是缓冲区缓存。缓冲区缓存跟踪来自文件系统实现和物理设备（通过设备驱动程序）的读写请求。为了提高效率，Linux 对请求进行缓存，避免将所有请求发送到物理设备。缓存中缓存最近使用的缓冲区（页面），可以快速提供给各个文件系统使用。