kernel笔记——VFS

vfs(the virtual filesystem, virtual file switch)为应用程序访问文件提供了统一的接口，如read、write、open等。

下面我们看加载文件系统模块、格式化磁盘、挂载磁盘，这些步骤相应的内核实现，vfs在其中又发挥了哪些作用。

 

文件系统在内核中由file_system_type结构表示，当我们执行以下命令加载文件系统模块时：

modprobe ext2

 

内核使用了以下函数完成ext2模块注册：

调用module_init(init_ext2_fs)，初始化模块；

在init_ext2_fs函数中，调用register_filesystem注册一个文件系统，register_filesystem将传入的ext2_fs_type加入到一个文件系统链表中，全局变量file_systems为文件系统链表的头结点。

 

接着我们格式化磁盘：

mkfs.ext2 /dev/sda5

 

以上命令将磁盘的格式设置为ext2文件系统的格式，使得磁盘分区的格式按照指定文件系统的格式定义，如设定块大小、数据块是否连续存放等。

 

格式化之后，进行磁盘挂载：

mount /dev/sda5 /mn

 

mount命令使用了mount系统调用，在中，可以看到mount系统调用的定义SYSCALL_DEFINE5(mount, …)，该函数中，调用do_mount完成实质的挂载工作。

 

do_mount首先调用kern_path获取挂载点相关信息，kern_path调用do_path_lookup，通过一系列函数调用，挂载点信息最终被记录在nameidata类型的变量中，nameidata包含挂载点的dentry和vfsmount

 

接着调用do_new_mount，其用以将ext2文件系统安装到/mnt，do_new_mount调用do_kern_mount，do_kern_mount调用vfs_kern_mount，vfs_kern_mount通过调用alloc_vfsmnt新建一个vfsmount，vfs_kern_mount再调用type->get_sb，这里type为之前加载ext2模块时注册的ext2_fs_type，get_sb对应于ext2_fs_type中的ext2_get_sb

 

ext2_get_sb调用get_sb_bdev，get_sb_bdev中调用sget新建一个super_block，之后调用ext2_fill_super，ext2_fill_super中调用ext2_iget新建一个inode，该inode作为挂载点的虚拟根，之后调用d_alloc_root新建一个dentry

 

回到do_new_mount函数，do_kern_mount返回后将调用do_add_mount，do_add_mount调用graft_tree将之前新建的vfsmount添加到一个hash表中

 

以上是挂载的底层实现过程，过程中创建了vfsmount、super_block、inode和dentry结构类型的变量，通过结构内部指针字段将各结构与其他结构关联，将super_block、inode等结构的操作函数设置为与新文件系统对应的操作函数(如ext2_sops、ext2_dir_inode_operations)，并使用新建的vfsmount、dentry、inode替换原来/mnt的相应结构。

 

所有挂载点，都有一个虚拟的、隐藏的根，挂载完成之后，操作挂载点中的目录或文件，将使用新注册的方法，如/dev/sda5挂载上/mnt之后，/mnt下的目录与文件将使用ext2提供的super_operations、inode_operations、file_operations等方法；而在挂载之前，/mnt使用的是”/”挂载点提供的方法。

 

使用crash解析vmcore文件，执行mount命令可以看到系统的挂载项：

crash> mount
        VFSMOUNT         SUPERBLK   TYPE    DEVNAME DIRNAME
ffff8806281ccd80 ffff8806281ca400 rootfs     rootfs /
ffff880629f895c0 ffff880631d83400 tmpfs        udev /dev
ffff880629f893c0 ffff8806319b1400 devpts     devpts /dev/pts
ffff8806281cc180 ffff880633d8a400 ext3    /dev/sda2 /
ffff8806281cc680 ffff880628785800 proc         proc /proc
ffff880636be9ec0 ffff8806281ca800 sysfs       sysfs /sys
ffff880629f896c0 ffff880628dc2400 debugfs   debugfs /sys/kernel/debug
ffff880636be95c0 ffff880633586400 binfmt_misc  none /proc/sys/fs/binfmt_misc
ffff880629f894c0 ffff8806351b1400 tmpfs       tmpfs /dev/shm
ffff880636be92c0 ffff88062fba5400 ext2    /dev/sda5 /mnt

 

每一个挂载点对应一个vfsmount结构，以上输出中最左一列就是挂载点vfsmount结构对应的地址。

 

再执行struct vfsmount 的地址>，我们就可以将vfsmount结构的内容解析出来：

struct vfsmount {
    ……
    mnt_parent = 0xffff8806281cc180,
    mnt_mountpoint = 0xffff88061572ebc0,
    mnt_root = 0xffff88051e2bd240,
    ……
    mnt_devname = 0xffff880634fe2460 "/dev/sda5",
};

 

对于vfsmount结构，我们主要看以上几个字段：

 

• mnt_parent: 上一层挂载点的vfsmount结构(这里为”/”对应的vfsmount)
• mnt_mountpoint: 其为挂载点对应的dentry(这里为mnt对应的dentry)
• mnt_root: 上一层挂载点对应的dentry(这里为”/”对应的dentry)
• mnt_devname: 指示挂载设备名称(这里为/dev/sda5)

 

 

在进行挂载之前，执行stat /mnt命令可以看到，可以看到/mnt与一个inode对应：

linux # stat /mnt
  File: `/mnt'
  Size: 4096     Blocks: 8     IO Block: 4096 directory
Device: 802h/2050d     Inode: 1970417     Links: 2

 

在挂载之后，inode变成另一个数值：

linux # stat /mnt
  File: `/mnt'
  Size: 4096     Blocks: 8     IO Block: 4096 directory
Device: 805h/2053d     Inode: 2     Links: 3

 

新的inode不再是磁盘上的一个项，而存在于内存中(即以上mount步骤中建立的虚拟根)，并且对应于挂载点上新的文件系统。

 

我们可以通过解析挂载点的vfsmount，再解析挂载点的dentry结构，即mnt_root，再解析相应的inode结构，即d_inode，就可找到挂载点相应的inode结构，查看到i_ino字段的值。

 

总的而言，使用mount挂载文件系统，其主要完成以下两项工作：

 

• 创建一个vfsmount
• 新建一个虚拟根，替换原来的inode

 

 

Reference: Chapter 13 - The Virtual Filesystem, Linux kernel development.3rd.Edition