# 鴻蒙輕內(nèi)核M核源碼分析系列二一 01 虛擬文件系統(tǒng)VFS

鴻蒙輕內(nèi)核M核源碼分析系列二一 01 虛擬文件系統(tǒng)VFS

VFS（Virtual File System）是文件系統(tǒng)的虛擬層，它不是一個實際的文件系統(tǒng)，而是一個異構文件系統(tǒng)之上的軟件粘合層，為用戶提供統(tǒng)一的類Unix文件操作接口。由于不同類型的文件系統(tǒng)接口不統(tǒng)一，若系統(tǒng)中有多個文件系統(tǒng)類型，訪問不同的文件系統(tǒng)就需要使用不同的非標準接口。而通過在系統(tǒng)中添加VFS層，提供統(tǒng)一的抽象接口，屏蔽了底層異構類型的文件系統(tǒng)的差異，使得訪問文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用不用關心底層的存儲介質(zhì)和文件系統(tǒng)類型，提高開發(fā)效率。本文先介紹下VFS的結構體和全局變量，然后詳細分析下VFS文件操作接口。文中所涉及的源碼，均可以在開源站點https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 獲取。

1、VFS結構體定義

在文件components\fs\vfs\fs_operations.h中定義了VFS虛擬文件系統(tǒng)操作涉及的結構體。⑴處的struct MountOps結構體封裝了掛載相關的操作，包含掛載、卸載和文件系統(tǒng)統(tǒng)計操作。⑵處的struct FsMap結構體映射文件系統(tǒng)類型及其對應的掛載操作和文件系統(tǒng)操作，支持的文件類型包含“fat”和“l(fā)ittlefs”兩種，通過這個結構體可以獲取對應文件類型的掛載操作及文件系統(tǒng)操作接口。⑶處的struct FileOps封裝文件系統(tǒng)的操作接口，包含文件操作、目錄操作，統(tǒng)計等相應的接口。

⑴ struct MountOps { int (*Mount)(const char *source, const char *target, const char *filesystemtype, unsigned long mountflags, const void *data); int (*Umount)(const char* target); int (*Umount2)(const char* target, int flag); int (*Statfs)(const char *path, struct statfs *buf); }; ⑵ struct FsMap { const char *fileSystemtype; const struct MountOps *fsMops; const struct FileOps *fsFops; }; ⑶ struct FileOps { int (*Open)(const char *path, int openFlag, ...); int (*Close)(int fd); int (*Unlink)(const char *fileName); int (*Rmdir)(const char *dirName); int (*Mkdir)(const char *dirName, mode_t mode); struct dirent *(*Readdir)(DIR *dir); DIR *(*Opendir)(const char *dirName); int (*Closedir)(DIR *dir); int (*Read)(int fd, void *buf, size_t len); int (*Write)(int fd, const void *buf, size_t len); off_t (*Seek)(int fd, off_t offset, int whence); int (*Getattr)(const char *path, struct stat *buf); int (*Rename)(const char *oldName, const char *newName); int (*Fsync)(int fd); int (*Fstat)(int fd, struct stat *buf); int (*Stat)(const char *path, struct stat *buf); int (*Ftruncate)(int fd, off_t length); };

2、VFS重要的內(nèi)部全局變量

在文件components\fs\vfs\los_fs.c中有2個全局變量比較重要，⑴處定義的數(shù)組g_fsmap維護文件系統(tǒng)類型映射信息，數(shù)組大小為2，支持"fat"和"littlefs"文件類型。⑵處的變量g_fs根據(jù)掛載的文件類型指向數(shù)組g_fsmap中的FsMap類型元素。⑶處的函數(shù)InitMountInfo()會給數(shù)組g_fsmap進行初始化賦值。第0個元素維護的"fat"文件類型的文件系統(tǒng)映射信息，第1個元素維護的"littlefs"文件類型的文件系統(tǒng)映射信息。涉及到的掛載操作、文件系統(tǒng)操作變量g_fatfsMnt、g_fatfsFops、g_lfsMnt、g_lfsFops在對應的文件系統(tǒng)文件中定義。⑷處的函數(shù)MountFindfs()用于根據(jù)文件類型從數(shù)組中獲取文件映射信息。

⑴ static struct FsMap g_fsmap[MAX_FILESYSTEM_LEN] = {0}; ⑵ static struct FsMap *g_fs = NULL; ⑶ static void InitMountInfo(void) { #if (LOSCFG_SUPPORT_FATFS == 1) extern struct MountOps g_fatfsMnt; extern struct FileOps g_fatfsFops; g_fsmap[0].fileSystemtype = strdup("fat"); g_fsmap[0].fsMops = &g_fatfsMnt; g_fsmap[0].fsFops = &g_fatfsFops; #endif #if (LOSCFG_SUPPORT_LITTLEFS == 1) extern struct MountOps g_lfsMnt; extern struct FileOps g_lfsFops; g_fsmap[1].fileSystemtype = strdup("littlefs"); g_fsmap[1].fsMops = &g_lfsMnt; g_fsmap[1].fsFops = &g_lfsFops; #endif } ⑷ static struct FsMap *MountFindfs(const char *fileSystemtype) { struct FsMap *m = NULL; for (int i = 0; i < MAX_FILESYSTEM_LEN; i++) { m = &(g_fsmap[i]); if (m->fileSystemtype && strcmp(fileSystemtype, m->fileSystemtype) == 0) { return m; } } return NULL; }

3、VFS相關的操作接口

在之前的系列文章《鴻蒙輕內(nèi)核M核源碼分析系列十九 Musl LibC》中介紹了相關的接口，那些接口會調(diào)用VFS文件系統(tǒng)中操作接口。對每個接口的用途用法不再描述，快速記錄下各個操作接口。

3.1 掛載卸載操作

掛載卸載操作包含LOS_FsMount、LOS_FsUmount、LOS_FsUmount2等3個操作。⑴處在掛載文件系統(tǒng)之前，需要初始化文件系統(tǒng)映射信息，只會操作一次。⑵處根據(jù)文件系統(tǒng)類型獲取對應的文件類型映射信息。從這里，可以獲知，LiteOS-M內(nèi)核只能同時支持一個文件系統(tǒng)，不能只支持fat又支持littlefs。⑶處對應對應的文件系統(tǒng)掛載接口實現(xiàn)掛載操作。其他兩個函數(shù)同樣比較簡單，自行閱讀代碼即可。

int LOS_FsMount(const char *source, const char *target, const char *filesystemtype, unsigned long mountflags, const void *data) { static int initFlag = 0; ⑴ if (initFlag == 0) { InitMountInfo(); initFlag = 1; } ⑵ g_fs = MountFindfs(filesystemtype); if (g_fs == NULL) { errno = ENODEV; return FS_FAILURE; } if (g_fs->fsMops == NULL || g_fs->fsMops->Mount == NULL) { errno = ENOSYS; return FS_FAILURE; } ⑶ return g_fs->fsMops->Mount(source, target, filesystemtype, mountflags, data); } int LOS_FsUmount(const char *target) { if (g_fs == NULL) { errno = ENODEV; return FS_FAILURE; } if (g_fs->fsMops == NULL || g_fs->fsMops->Umount == NULL) { errno = ENOSYS; return FS_FAILURE; } return g_fs->fsMops->Umount(target); } int LOS_FsUmount2(const char *target, int flag) { if (g_fs == NULL) { errno = ENODEV; return FS_FAILURE; } if (g_fs->fsMops == NULL || g_fs->fsMops->Umount2 == NULL) { errno = ENOSYS; return FS_FAILURE; } return g_fs->fsMops->Umount2(target, flag); }

3.2 文件目錄操作

VFS封裝的文件目錄操作接口包含LOS_Open、LOS_Close、LOS_Read、LOS_Write、LOS_Opendir、LOS_Readdir、LOS_Closedir等等。對具體的文件類型的文件目錄操作接口進行封裝，代碼比較簡單，自行閱讀即可，部分代碼片段如下。

...... int LOS_Unlink(const char *path) { if (g_fs == NULL) { errno = ENODEV; return FS_FAILURE; } if (g_fs->fsFops == NULL || g_fs->fsFops->Unlink == NULL) { errno = ENOSYS; return FS_FAILURE; } return g_fs->fsFops->Unlink(path); } int LOS_Fstat(int fd, struct stat *buf) { if (g_fs == NULL) { errno = ENODEV; return FS_FAILURE; } if (g_fs->fsFops == NULL || g_fs->fsFops->Fstat == NULL) { errno = ENOSYS; return FS_FAILURE; } return g_fs->fsFops->Fstat(fd, buf); } ...... int LOS_Mkdir(const char *path, mode_t mode) { if (g_fs == NULL) { errno = ENODEV; return FS_FAILURE; } if (g_fs->fsFops == NULL || g_fs->fsFops->Mkdir == NULL) { errno = ENOSYS; return FS_FAILURE; } return g_fs->fsFops->Mkdir(path, mode); } DIR *LOS_Opendir(const char *dirName) { if (g_fs == NULL) { errno = ENODEV; return NULL; } if (g_fs->fsFops == NULL || g_fs->fsFops->Opendir == NULL) { errno = ENOSYS; return NULL; } return g_fs->fsFops->Opendir(dirName); } ......

3.3 隨機數(shù)文件

文件/dev/random可以用于產(chǎn)生隨機數(shù)。在開啟宏LOSCFG_RANDOM_DEV時，LiteOS-M支持隨機數(shù)文件。從⑴處可知隨機數(shù)依賴文件~/openharmony/base/security/huks/interfaces/innerkits/huks_lite/hks_client.h和hks_tmp_client.c，這些文件用來產(chǎn)生隨機數(shù)。⑵處定義的RANDOM_DEV_FD和RANDOM_DEV_PATH分別是隨機數(shù)文件的文件描述符和隨機數(shù)文件路徑。

#ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV ⑴ #include "hks_client.h" ⑵ #define RANDOM_DEV_FD CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS + CONFIG_NSOCKET_DESCRIPTORS #define RANDOM_DEV_PATH "/dev/random" #endif

3.3.1 隨機LOS_Open和LOS_Close

該函數(shù)打開一個文件，獲取文件描述符用于進一步操作。⑴處表示對于隨機數(shù)文件，打開的標簽選項只能支持指定的這些，否則會返回錯誤碼。⑵處獲取標準路徑，如果獲取失敗，返回錯誤碼。⑶處比較獲取的標準路徑是否為RANDOM_DEV_PATH，在確認是隨機數(shù)路徑時，⑷處開始判斷。如果訪問模式為只讀，返回錯誤，如果打開選項標簽是目錄，返回錯誤。如果不是上述錯誤情形，返回隨機數(shù)文件描述符。⑸處如果獲取的標準路徑為“/”或“/dev”，則根據(jù)不同的選項，返回不同的錯誤碼。

int LOS_Open(const char *path, int oflag, ...) { #ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV unsigned flags = O_RDONLY | O_WRONLY | O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT | O_LARGEFILE | O_TRUNC | O_EXCL | O_DIRECTORY; ⑴ if ((unsigned)oflag & ~flags) { errno = EINVAL; return FS_FAILURE; } size_t pathLen = strlen(path) + 1; char *canonicalPath = (char *)malloc(pathLen); if (!canonicalPath) { errno = ENOMEM; return FS_FAILURE; } ⑵ if (GetCanonicalPath(NULL, path, canonicalPath, pathLen) == 0) { FREE_AND_SET_NULL(canonicalPath); errno = ENOMEM; return FS_FAILURE; } ⑶ if (strcmp(canonicalPath, RANDOM_DEV_PATH) == 0) { FREE_AND_SET_NULL(canonicalPath); ⑷ if ((O_ACCMODE & (unsigned)oflag) != O_RDONLY) { errno = EPERM; return FS_FAILURE; } if ((unsigned)oflag & O_DIRECTORY) { errno = ENOTDIR; return FS_FAILURE; } return RANDOM_DEV_FD; } ⑸ if (strcmp(canonicalPath, "/") == 0 || strcmp(canonicalPath, "/dev") == 0) { FREE_AND_SET_NULL(canonicalPath); if ((unsigned)oflag & O_DIRECTORY) { errno = EPERM; return FS_FAILURE; } errno = EISDIR; return FS_FAILURE; } FREE_AND_SET_NULL(canonicalPath); #endif ...... }

對于隨機數(shù)文件，關閉時，直接返回成功，不需要額外操作。代碼片段如下：

int LOS_Close(int fd) { #ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV if (fd == RANDOM_DEV_FD) { return FS_SUCCESS; } #endif ...... }

3.3.2 隨機LOS_Read和LOS_Write

隨機數(shù)文件讀寫使用LOS_Read和LOS_Write接口。讀取時，⑴處先對傳入?yún)?shù)進行校驗，如果讀取字節(jié)數(shù)為0，則返回0；如果讀取的緩存地址為空，返回-1；如果讀的字節(jié)大于1024，則使用1024。⑵處調(diào)用hks_generate_random()產(chǎn)生隨機數(shù)。由于隨機數(shù)文件是只讀的，如果嘗試寫入會返回-1錯誤碼。

ssize_t LOS_Read(int fd, void *buf, size_t nbyte) { #ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV if (fd == RANDOM_DEV_FD) { ⑴ if (nbyte == 0) { return FS_SUCCESS; } if (buf == NULL) { errno = EINVAL; return FS_FAILURE; } if (nbyte > 1024) { /* 1024, max random_size */ nbyte = 1024; /* hks_generate_random: random_size must <= 1024 */ } struct hks_blob key = {HKS_BLOB_TYPE_RAW, (uint8_t *)buf, nbyte}; ⑵ if (hks_generate_random(&key) != 0) { errno = EIO; return FS_FAILURE; } return (ssize_t)nbyte; } #endif ...... } ssize_t LOS_Write(int fd, const void *buf, size_t nbyte) { #ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV if (fd == RANDOM_DEV_FD) { errno = EBADF; /* "/dev/random" is readonly */ return FS_FAILURE; } #endif ...... }

小結

本文介紹了VFS的結構體和全局變量，分析了下VFS文件操作接口，對于隨機數(shù)文件也進行了分析。時間倉促和能力關系，如有失誤，歡迎指正。感謝閱讀，如有任何問題、建議，都可以博客下留言給我，謝謝。

參考資料

HarmonyOS Device>文檔指南>基礎能力-虛擬文件系統(tǒng)

IoT 虛擬化 輕量級操作系統(tǒng) LiteOS

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