【Linux】实现基于Ext4的模块化文件系统

系统环境

镜像版本：CentOS 7.6.1810 x86 64位
Linux内核版本：4.14.160

内核安装

1).获取超级权限

su

输入正确的root密码获取超级权限，以下指令都是在获取超级权限的情况下执行的。

2).安装内核编译工具

yum -y install gcc gcc-c++ ncurses ncurses-devel cmake elfutils-libelf-devel openssl-devel 

3). 编辑内核配置文件

将内核源码linux-4.14.160.tar拷贝到/usr/src/目录下，解压缩后进行配置。
进入文件夹：

cd /usr/src/

解压缩源码：

tar -xvf linux-4.14.160.tar

进入源码文件夹：

cd linux-4.14.160

编辑内核配置文件：

make menuconfig

选择“General setup”->”Local version”，输入自定义的本地内核版本号用以区分，以“-yoching”为例。然后返回主页面，选择“File systems”，确保选项The Extended 4（ext4）filesystem前面是M，即ext4文件系统为模块化加载，若不是选中按“M”键。最后选择“save”保存.config配置文件即可。

4).开始编译

编译文件（使用4个核心）：

make -j4

编译时间较久，请耐心等待。
编译成功，如下图。

安装模块：

make modules_install

安装内核：

make install 

5).重启并选择新内核

reboot

在内核引导页面选择4.14.160-yoching内核进入操作系统，后面为自己定义的本地内核版本号。

新文件系统模块化

拷贝内核源码文件夹下fs/ext4文件夹里的所有内容，放到其他位置。
进入文件夹：

cd /usr/src/linux-4.14.160/fs

复制到/usr/src：

cp -r ext4 /usr/src/ext4edit 

打开ext4edit文件系统根目录下的Makefile文件,修改为：

obj-$(CONFIG_EXT4_FS) += ext4edit.o
ext4edit-y	:= balloc.o bitmap.o block_validity.o dir.o ext4_jbd2.o extents.o \
		extents_status.o file.o fsmap.o fsync.o hash.o ialloc.o \
		indirect.o inline.o inode.o ioctl.o mballoc.o migrate.o \
		mmp.o move_extent.o namei.o page-io.o readpage.o resize.o \
		super.o symlink.o sysfs.o xattr.o xattr_trusted.o xattr_user.o
KERNELDIR:=/usr/src/linux-4.14.160
PWD:=$(shell pwd)
ext4edit-$(CONFIG_EXT4_FS_POSIX_ACL)	+= acl.o
ext4edit-$(CONFIG_EXT4_FS_SECURITY)		+= xattr_security.o
default:
	make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
	rm -rf *.o *.mod.c *.ko *.symvers

其中KERNELDIR变量为内核源代码位置，PWD变量为当前工作目录的绝对路径，也就是Ext4edit文件系统源码所在路径。在Makefile文件的最后再加上两行编译命令，用以编译模块和清除编译产生的文件。
接着，找到文件夹里super.c，这是文件系统挂载是所要用到的文件。找到其中的结构体类型为file_system_type的变量 ext4_fs_type，修改其中的name字段和函数MODULE_ALIAS_FS()的参数为“ext4edit”。后者作用是设置模块别名。具体代码如下。

static struct file_system_type ext4_fs_type = {
     
	.owner		= THIS_MODULE,
	.name		= "ext4edit",
	.mount		= ext4_mount,
	.kill_sb	= kill_block_super,
	.fs_flags	= FS_REQUIRES_DEV,
};
MODULE_ALIAS_FS("ext4edit");

然后找到sysfs.c文件，这是与顶层虚拟文件系统相关的文件。找到初始化函数ext4_init_sysfs（），修改里面第二行kobject_set_name()里的字段为“ext4edit”。具体代码如下。

int __init ext4_init_sysfs(void)
{
     
	int ret;
	kobject_set_name(&ext4_kset.kobj, "ext4edit");
	ext4_kset.kobj.parent = fs_kobj;
	ret = kset_register(&ext4_kset);
	if (ret)
		return ret;
	ret = kobject_init_and_add(&ext4_feat, &ext4_feat_ktype,
				   NULL, "features");
	if (ret)
		kset_unregister(&ext4_kset);
	else
		ext4_proc_root = proc_mkdir(proc_dirname, NULL);
	return ret;
}

至此，基于Ext4的新文件系统Ext4edit改写完成。
我们可以修改该文件系统的代码，实现自定义的功能。例如，在该文件系统中添加写缓存提示功能。这个功能需要用到file.c文件。找到该文件后在该文件里ext4_file_write_iter（）函数，添加一条printk（）语句，打印提示信息。该函数用于写文件时延迟分配磁盘空间时，将数据按字节写入页缓存。添加的语句如下。

printk("Method ext4_file_write_iter() in file.c."); 

模块编译及动态静态加载

1） 编译模块

重新打开命令行，并输入su命令和root密码获取超级权限。将文件系统的源码拷贝到/usr/src/目录下。
进入模块文件夹：

   cd /usr/src/ext4edit

编译模块：

make

2).加载文件系统

insmod ext4edit.ko

如出现“Unknown symbol“错误，使用modinfo ext4edit.ko命令，查看模块信息，信息中有depends一项表示依赖的模块，使用modprobe先加载依赖的模块即可。Ext4edit文件系统依赖于mbcache和jbd2两个模块。

3).挂载文件系统

进入/dev目录：

cd /dev

创建块设备文件：

mknod -m 640 yoching b 1 0

格式化块设备文件

mkfs.ext4 yoching

进入/mnt目录：

cd /mnt

创建yoching文件夹：

mkdir yoching

挂载文件系统：

mount /dev/yoching -t ext4edit /mnt/yoching

查看挂载信息：

df -T -h

执行结果的最后一条显示文件系统类型为ext4edit的文件系统已挂载在/mnt/yoching目录下，说明挂载完成。

进入/mnt/yoching目录下，使用“vim hello.txt”创建并打开名为hello.txt的文本文件，切换为INSERT模式写入“hello”，并按ESC，键入“：wq”保存并退出。输入“dmesg -c”查看后台信息，查看结果如下图所示。

4).卸载文件系统

卸载文件系统：

umount  /mnt/yoching

移除模块：

rmmod ext4edit