解剖linux内核之文件系统

虚实结合

文件系统主要分为两个部分：vfs和ext2（以ext2为例），一虚一实，vfs是在机子启动的时候在内存中建立的，机子关掉便不存在了，是虚的；ext2是在磁盘介质上的，是磁盘在格式化的时候确定的，机子关机后仍然在磁盘上存在。

在磁盘上的ext2文件系统那个的格式如下：

Ext2中与superblock对应的结构体是

 

struct ext2_super_block {

         __u32       s_inodes_count;                /* Inodes count */ 12214272

         __u32       s_blocks_count;                /* Blocks count */ 48827904

         …

         __u32       s_blocks_per_group;       /* # Blocks per group */32768

         __u32       s_inodes_per_group;       /* # Inodes per group */8192

         ….

};

与block group对应的结构体是：

struct ext2_group_desc

{

         __u32       bg_block_bitmap;    /* Blocks bitmap block*/

/*所表示的块组中的block bitmap所在块号 */

         __u32       bg_inode_bitmap;   /* Inodes bitmap block */

/*所表示的块组中的inode bitmap所在块号 */

         __u32       bg_inode_table;                /* Inodes table block */

/*所表示的块组中的inode table所在块号 */

         __u16       bg_free_blocks_count;    /* Free blocks count */

         __u16       bg_free_inodes_count;   /* Free inodes count */

         __u16       bg_used_dirs_count;       /* Directories count */

         __u16       bg_flags;

         __u32       bg_reserved[2];

         __u16       bg_itable_unused;  /* Unused inodes count */

         __u16       bg_checksum;          /* crc16(s_uuid+grouo_num+group_desc)*/

};

Block bimap与inode bitmap在ext2中没有对应的结构体，inodetable对应的结构体为：

truct ext2_inode {

         __le16      i_mode;             /* File mode ，描述的文件类型及其访问权限*/

         …

         __le32      i_size;                 /* Size in bytes ，描述的文件大小*/

….

         __le32      i_blocks;   /* Blocks count *,由下面推断为2^29？ /

         …

         __le32      i_block[EXT3_N_BLOCKS];/* Pointers toblocks ，指向文件数据所在block，使用12个直接索引，1个一级，1个2级，1个3级索引。Inode需要4byte记录一个block，所以可以记录的单文件最大为：12×4K+4096/4×4K+4096/4×4096/4×4K+4096/4×4096/4×4096/4×4K大约是4TB，但是由于上面i_blocks的限制，只能达到2TB*/

         …

};

关于ext2文件系统的这些信息均可以通过dumpe2fs 了来获得，下面截取dumpe2fs

 /dev/sda8：

…

Filesystem OS type:       Linux

Inode count:              12214272

Block count:              48827904

Reserved block count:     2441395

Free blocks:              30065278

Free inodes:              12207259

First block:              0

Block size:               4096

…

Group 0: (Blocks 0-32767)

  Primarysuperblock at 0, Group descriptors at 1-12

  ReservedGDT blocks at 13-1024

  Blockbitmap at 1025 (+1025), Inode bitmap at 1026 (+1026)

  Inodetable at 1027-1538 (+1027)

  31223free blocks, 8181 free inodes, 2 directories

  Freeblocks: 1545-32767

  Freeinodes: 12-8192

…

 

VFS层的数据结构与ext2文件系统对应的数据结构有structsuper_block，struct inode。另外在vfs层还增添了许多其他的数据结构，我们先来看在内存中的super block、inode与在磁盘上具体的ext2的super block、inode的对应关系。

super block的对应是通过structext2_sb_info结构体建立起来的：

在vfs层没有与blockgroup descriptor对应的结构体，ext2的块组描述符直接在buffer head所指向的page中。

inode的对应关系是通过struct ext2_inode_info既然钩体建立起来的：

 

 

Memory pages是文件中的数据在内存中的存在形式，内核使用红黑树来组织；Data Blocks是数据在磁盘上的组织，ext2中的ext2_inode使用12个直接索引，1个一级索引，1个二级索引，1个三级索引来记录文件数据所在的数据块。

在磁盘上每一个ext2_inode对应一个文件，在VFS层的structinode对应于一个打开的文件，VFS层与打开文件相关的另外一个结果体是struct file。struct file主要针对的是对文件数据的操作（内嵌struct file_operations         结构体），structinode主要针对该文件属性的操作（内嵌struct inode_operations         结构体），前者的f_mapping与后者的i_mapping均指向的是文件的数据在内存中的page。另外struct file是从属于进程的，struct inode是属于文件，即不同的进程打开同一个文件的时候，会有多个struct file但是只有一个struct inode。

 

VFS中的structsuper_block结构体中的s_files记录了本文件系统中打开的所有文件；struct task_struct中的files记录了该进程打开的所有文件信息。

进程的task_struct中还记录了改进程的虚拟线性地址空间，那么该线性地址与具体的数据是怎么联系在一起的呢？

打印打开的所有文件信息

进程打开的所有文件均会在该进程的结构体中，那么每个进程到底打开了多少文件呢？

 

1 %{

  2         #include <linux/list.h>

  3         #include <linux/sched.h>

  4         #include <linux/fdtable.h>

  5         #include <linux/fs.h>

  6         #include <linux/mm_types.h>

  7         #include <linux/rcupdate.h>

  8         #include <linux/gfp.h>

  9         #include <linux/dcache.h>

 10 %}

 11 function process_list ()

 12 %{

 13         struct task_struct *p;

 14         struct file *filp;

 15         char *path=NULL;

 16         char *page=NULL;

 17         int fd;

 18         for_each_process(p){

 19                 _stp_printf("%s %d openfiles:\n",p->comm,p->pid);

 20                 for(fd=0;fd<1024;fd++){

 21                        filp=fcheck_files(p->files,fd);

 22                         if(!filp)

 23                                 continue;

 24                         page=(char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);

 25                        path=d_path(&filp->f_path,page,PAGE_SIZE);

 26                         if(page)

 27                                free_page((unsigned long)page);

 28                        _stp_printf("\tfd:%d path:%s\n",fd,path);

 29                 }

 30         }

 31 %}

 32

 33 probe begin

 34 {

 35         process_list();

 36         exit();

 37 }

部分输出结果如下：

 

1 init 1 open files:

  2         fd:0 path:/dev/null

  3         fd:1 path:/dev/null

  4         fd:2 path:/dev/null

  5         fd:3 path:pipe:[6534]

  6         fd:4 path:pipe:[6534]

  7         fd:5 path:anon_inode:inotify

  8         fd:6 path:anon_inode:inotify

  9         fd:7 path:socket:[7376]

 10         fd:8 path:socket:[6839]

 11         fd:9 path:socket:[7403]

 12         fd:10 path:socket:[8258]

 13         fd:11 path:socket:[6863]

 14 kthreadd 2 open files:

 15 ksoftirqd/0 3 open files:

 16 kworker/0:0 4 open files:

 17 migration/0 6 open files:

 18 migration/1 7 open files:

…