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Linux 虚拟文件系统和进程的关系

满小茂
 满小茂
发布于 2015/12/26 21:39
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VFS中还有2个专门针对文件系统的2个对象,

- struct file_system_type: 用来描述文件系统的类型(比如ext3,ntfs等等)

- struct  vfsmount        : 描述一个安装文件系统的实例

file_system_type 结构体位于<linux/fs.h>

struct file_system_type {
    const char *name;   /* 文件系统名称 */
    int fs_flags;       /* 文件系统类型标志 */
    /* 从磁盘中读取超级块,并且在文件系统被安装时,在内存中组装超级块对象 */
    int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
               const char *, void *, struct vfsmount *);
    /* 终止访问超级块 */
    void (*kill_sb) (struct super_block *);
    struct module *owner;           /* 文件系统模块 */
    struct file_system_type * next; /* 链表中下一个文件系统类型 */
    struct list_head fs_supers;     /* 超级块对象链表 */
 
    /* 下面都是运行时的锁 */
    struct lock_class_key s_lock_key;
    struct lock_class_key s_umount_key;
 
    struct lock_class_key i_lock_key;
    struct lock_class_key i_mutex_key;
    struct lock_class_key i_mutex_dir_key;
    struct lock_class_key i_alloc_sem_key;
};

 

每种文件系统,不管由多少个实例安装到系统中,还是根本没有安装到系统中,都只有一个 file_system_type 结构。

 

======================================================================================================================

当文件系统被实际安装时,会在安装点创建一个 vfsmount 结构体。

结构体代表文件系统的实例,也就是文件系统被安装几次,就会创建几个 vfsmount

vfsmount 的定义参见<linux/mount.h>

struct vfsmount {
    struct list_head mnt_hash;      /* 散列表 */
    struct vfsmount *mnt_parent;    /* 父文件系统,也就是要挂载到哪个文件系统 */
    struct dentry *mnt_mountpoint;    /* 安装点的目录项 */
    struct dentry *mnt_root;        /* 该文件系统的根目录项 */
    struct super_block *mnt_sb;        /* 该文件系统的超级块 */
    struct list_head mnt_mounts;    /* 子文件系统链表 */
    struct list_head mnt_child;        /* 子文件系统链表 */
    int mnt_flags;                  /* 安装标志 */
    /* 4 bytes hole on 64bits arches */
    const char *mnt_devname;        /* 设备文件名 e.g. /dev/dsk/hda1 */
    struct list_head mnt_list;      /* 描述符链表 */
    struct list_head mnt_expire;    /* 到期链表的入口 */
    struct list_head mnt_share;        /* 共享安装链表的入口 */
    struct list_head mnt_slave_list;/* 从安装链表 */
    struct list_head mnt_slave;        /* 从安装链表的入口 */
    struct vfsmount *mnt_master;    /* 从安装链表的主人 */
    struct mnt_namespace *mnt_ns;    /* 相关的命名空间 */
    int mnt_id;            /* 安装标识符 */
    int mnt_group_id;        /* 组标识符 */
    /*
     * We put mnt_count & mnt_expiry_mark at the end of struct vfsmount
     * to let these frequently modified fields in a separate cache line
     * (so that reads of mnt_flags wont ping-pong on SMP machines)
     */
    atomic_t mnt_count;         /* 使用计数 */
    int mnt_expiry_mark;        /* 如果标记为到期,则为 True */
    int mnt_pinned;             /* "钉住"进程计数 */
    int mnt_ghosts;             /* "镜像"引用计数 */
#ifdef CONFIG_SMP
    int *mnt_writers;           /* 写者引用计数 */
#else
    int mnt_writers;            /* 写者引用计数 */
#endif
};

 文件系统和进程相关的数据结构

 

以上介绍的都是在内核角度看到的 VFS 各个结构,所以结构体中包含的属性非常多。

而从进程的角度来看的话,大多数时候并不需要那么多的属性,所有VFS通过以下3个结构体和进程紧密联系在一起。

- struct files_struct  :由进程描述符中的 files 目录项指向,所有与单个进程相关的信息(比如打开的文件和文件描述符)都包含在其中。

- struct fs_struct     :由进程描述符中的 fs 域指向,包含文件系统和进程相关的信息。

- struct mmt_namespace :由进程描述符中的 mmt_namespace 域指向。

struct files_struct 位于<linux/fdtable.h>

 

//文件描述表
struct fdtable {
	unsigned int max_fds;
	struct file ** fd;      /* current fd array */
	fd_set *close_on_exec;
	fd_set *open_fds;
	struct rcu_head rcu;
	struct fdtable *next;
};
/*
 * Open file table structure
 */
struct files_struct {
    atomic_t count;      /* 使用计数 */
    struct fdtable *fdt; /* 指向其他fd表的指针 */
    struct fdtable fdtab;/* 基 fd 表 进程的关联的所有文件数组*/
    spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp; /* 单个文件的锁 */
    int next_fd;                                       /* 缓存下一个可用的fd */
    struct embedded_fd_set close_on_exec_init;         /* exec()时关闭的文件描述符链表 */
    struct embedded_fd_set open_fds_init;              /* 打开的文件描述符链表 */
    struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];           /* 缺省的文件对象数组 NR_OPEN_DEFAULT在64位系统中等于64*/
};
  • task_struct-> files_struct-> fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]是一个struct file 数组 ,进程打开文件小于64个文件时

  • task_struct->files_struct->fdtable->fd 是一个struct file 数组,进程打开文件大于64个文件

当新打开文件时,就会新建一个struct file结构体,然后将这个结构体会赋值给上面的指针。

 

 struct fs_struct 位于:<linux/fs_struct.h>

struct fs_struct {
    int users;               /* 用户数目 */
    rwlock_t lock;           /* 保护结构体的读写锁 */
    int umask;               /* 掩码 */
    int in_exec;             /* 当前正在执行的文件 */
    struct path root, pwd;   /* 根目录路径和当前工作目录路径 */
};

struct  mmt_namespace 位于<linux/mmt_namespace.h>

但是在2.6内核之后似乎没有这个结构体了,而是用 struct nsproxy 来代替。

以下是 struct task_struct 结构体中关于文件系统的3个属性。

struct task_struct 的定义位于<linux/sched.h>

 

/* filesystem information */
    struct fs_struct *fs;
/* open file information */
    struct files_struct *files; //进程打开文件
/* namespaces */
    struct nsproxy *nsproxy;

 

VFS 统一了文件系统的实现框架,使得在linux上实现新文件系统的工作变得简单。

目前linux内核中已经支持60多种文件系统,具体支持的文件系统可以查看 内核源码 fs 文件夹下的内容。

进程和打开文件及文件系统对应关系如图‍

另外:

文件系统中Page Cache作用详解 :http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cache/

文件读写过程:http://blog.csdn.net/zdy0_2004/article/details/46977841

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