Linux 操作系統原理 — 文件系統 — 虛擬文件系統

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為什么需要文件系統？

linux 的虛擬文件系統

創建 linux 文件系統

為什么需要文件系統？

程序 = 數據結構 + 算法，所有的應用程序都需要存儲和檢索信息，進程運行時它能夠在內存空間內存儲一定量的信息。然而，存儲的容量受到進程的用戶態虛擬內存空間大小的限制。用戶進程的數據需要持久化在擁有更大容量的外存（磁盤）空間。

磁盤（Magnetic disk）一直以來都是持久化數據的設備，理論上，只要有了讀寫操作就能解決持久化數據存取的問題。但事實上，磁盤需要支持更多的操作，特別是在多程序運行的大型系統上（如服務器）。在這種情況下，很容易產生一些問題，例如：

你如何找到這些信息？

你如何保證一個用戶不會讀取另外一個用戶的數據？

你怎么知道哪些塊是空閑的？

為了解決浙西問題，UNIX 設計者提出一個新的抽象 - 文件。在 UNIX-like 操作系統一致秉承著 一切皆文件 的設計理念。

文件（Files）是由進程創建的邏輯信息單元。一個磁盤會包含成百上千萬個文件。進程能夠讀取已存在的文件，并在需要時修改它們。存儲在文件中的信息必須是持久的，這也就是說，不會因為進程的創建和終止而受影響。一個文件只能在當用戶明確刪除的時候才能消失。文件由操作系統進行管理，有關文件的構造、命名、訪問、使用、保護、實現和管理方式都是操作系統設計的主要內容。

事實上，如果你能把每個文件都看作一個獨立的地址空間，那么你真正理解了文件的概念。操作系統中處理文件的部分稱為文件系統（File system）。

Linux 的虛擬文件系統

文件系統是對一個存儲設備上的數據和元數據進行組織的機制。由于定義如此寬泛，所以 Linux 文件系統的接口實現采用了分層的體系結構：將用戶接口層、文件系統實現和操作存儲設備的驅動程序分隔開，從而構成了一個虛擬文件系統（Virtual File System，VFS）。

在同一操作系統下，可能會使用到不同的文件系統。在計算機世界中，任何問題都可以添加一個層級來加個代理來解決。UNIX 操作系統通過虛擬文件系統來將多種文件系統構成一個有序的結構。其關鍵思想是：抽象出所有文件系統都共有的部分，并將這部分代碼放在一層，這一層再調用具體文件系統來管理數據。

Linux 使用最普遍的文件系統是 ExtX，也能夠支持 FAT、 FAT32、 VFAT 和 ISO9660 等不同類型的文件系統，從而可以方便地和其它操作系統交換數據。

ext2：早期 Linux 中常用的文件系統。

ext3：ext2 的升級版，帶有日志功能。

ext4：較新的文件系統版本。

RAMFS：內存文件系統，速度很快。

VFS 隱藏了各種硬件的具體細節，把文件系統操作和不同文件系統的具體實現細節分離了開來，為所有的設備提供了統一的接口，VFS 提供了多達數十種不同的文件系統。VFS 可以分為邏輯文件系統和設備驅動程序：

邏輯文件系統指 Linux 所支持的文件系統，如 extX、FAT 等。

設備驅動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設備驅動程序模塊。

VFS 對用戶進程提供一個 “上層” 接口，這個接口就是著名的 POSIX 接口。這些來自用戶進程的調用，都是標準的 POSIX 系統調用，比如 open、read、write 和 seek 等。VFS 也有一個對于實際文件系統的 “下層” 接口，包含了許多針對特定文件系統的功能調用。

用戶空間包含一些應用程序（例如，文件系統的使用者）和 GNU C 庫（glibc），它們為文件系統調用（打開、讀取、寫和關閉）提供用戶接口。系統調用接口的作用就像是交換器，它將系統調用從用戶空間發送到內核空間中的適當端點。

VFS 是底層文件系統的主要接口。這個組件導出一組接口，然后將它們抽象到各個文件系統，各個文件系統的行為可能差異很大。有兩個針對文件系統對象的緩存（inode 和 dentry）。它們緩存最近使用過的文件系統對象。

當系統啟動時，根文件系統在 VFS 中注冊。另外，當裝載其他文件系統時，不管在啟動時還是在操作過程中，它們也必須在 VFS 中注冊。另外，在引導時或操作期間掛載其他文件系統時，它們也必須向 VFS 注冊。當文件系統注冊時，其基本作用是提供 VFS 所需功能的地址列表、調用向量表、或者 VFS 對象。因此一旦文件系統注冊到 VFS，它就知道從哪里開始讀取數據塊。

裝載文件系統后就可以使用它了。比如，如果一個文件系統裝載到 /usr 并且一個進程調用它：

open("/usr/include/unistd.h", O_RDONLY)

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當解析路徑時， VFS 看到新的文件系統被掛載到 /usr，并且通過搜索已經裝載文件系統的超級塊來確定它的超塊。然后它找到它所轉載的文件的根目錄，在那里查找路徑 include/unistd.h。然后 VFS 創建一個 vnode 并調用實際文件系統，以返回所有的在文件 inode 中的信息。這個信息和其他信息一起復制到 vnode （內存中）。而這些其他信息中最重要的是指向包含調用 vnode 操作的函數表的指針，比如 read、write 和 close 等。

當 vnode 被創建后，為了進程調用，VFS 在文件描述符表中創建一個表項，并將它指向新的 vnode，最后，VFS 向調用者返回文件描述符，所以調用者可以用它去 read、write 或者 close 文件。

當進程用文件描述符進行一個讀操作時，VFS 通過進程表和文件描述符確定 vnode 的位置，并跟隨指針指向函數表，這樣就調用了處理 read 函數，運行在實際系統中的代碼并得到所請求的塊。VFS 不知道請求時來源于本地硬盤、還是來源于網絡中的遠程文件系統、CD-ROM 、USB 或者其他介質，所有相關的數據結構如下圖所示：從調用者進程號和文件描述符開始，進而是 vnode，讀函數指針，然后是對實際文件系統的訪問函數定位。

創建 Linux 文件系統

創建一個經過初始化的文件：

$ dd if=/dev/zero of=file.img bs=1k count=10000 10000+0 records in 10000+0 records out

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現在有了一個 10MB 的 file.img 文件。使用 losetup 命令將一個循環設備與這個文件關聯起來，讓它看起來像一個塊設備，而不是文件系統中的常規文件：

$ losetup /dev/loop0 file.img

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這個文件現在作為一個塊設備出現（由 /dev/loop0 表示）。然后用 mke2fs 在這個設備上創建一個文件系統。這個命令創建一個指定大小的新的 ext2 文件系統：

$ mke2fs -c /dev/loop0 10000 mke2fs 1.35 (28-Feb-2004) max_blocks 1024000, rsv_groups = 1250, rsv_gdb = 39 Filesystem label= OS type: Linux Block size=1024 (log=0) Fragment size=1024 (log=0) 2512 inodes, 10000 blocks 500 blocks (5.00%) reserved for the super user ...

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使用 mount 命令將循環設備（/dev/loop0）所表示的 file.img 文件掛裝到掛裝點 /mnt/point1。注意，文件系統類型指定為 ext2：

$ mkdir /mnt/point1 $ mount -t ext2 /dev/loop0 /mnt/point1

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還可以繼續這個過程：在剛才掛裝的文件系統中創建一個新文件，將它與一個循環設備關聯起來，再在上面創建另一個文件系統。

$ dd if=/dev/zero of=/mnt/point1/file.img bs=1k count=1000 1000+0 records in 1000+0 records out $ losetup /dev/loop1 /mnt/point1/file.img $ mke2fs -c /dev/loop1 1000 mke2fs 1.35 (28-Feb-2004) max_blocks 1024000, rsv_groups = 125, rsv_gdb = 3 Filesystem label= ... $ mkdir /mnt/point2 $ mount -t ext2 /dev/loop1 /mnt/point2 $ ls /mnt/point2 lost+found $ ls /mnt/point1 file.img lost+found

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通過這個簡單的演示很容易體會到 Linux 文件系統（和循環設備）是多么強大。可以按照相同的方法在文件上用循環設備創建加密的文件系統?？梢栽谛枰獣r使用循環設備臨時掛裝文件，這有助于保護數據。

Linux 虛擬化

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