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深入理解Linux文件系統(tǒng)之文件系統(tǒng)掛載(上)

時間：2021-07-02 06:40:27

關鍵字： Linux 文件系統(tǒng) 文件系統(tǒng)掛載

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[導讀]本文主要講解文件系統(tǒng)掛載核心邏輯，暫不涉及掛載命名空間和綁定掛載等內容（后面的內容可能會涉及），且以ext2磁盤文件系統(tǒng)為例講解掛載。

1.開場白

環(huán)境：處理器架構：arm64內核源碼：linux-5.11ubuntu版本：20.04.1代碼閱讀工具：vim ctags cscope

我們知道，Linux系統(tǒng)中我們經常將一個塊設備上的文件系統(tǒng)掛載到某個目錄下才能訪問這個文件系統(tǒng)下的文件，但是你有沒有思考過：為什么塊設備掛載之后才能訪問文件？掛載文件系統(tǒng)Linux內核到底為我們做了哪些事情？是否可以不將文件系統(tǒng)掛載到具體的目錄下也能訪問？下面，本文將詳細講解Linxu系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)掛載的奧秘。
注：本文主要講解文件系統(tǒng)掛載核心邏輯，暫不涉及掛載命名空間和綁定掛載等內容（后面的內容可能會涉及），且以ext2磁盤文件系統(tǒng)為例講解掛載。本專題文章分為上下兩篇，上篇主要介紹掛載全貌以及具體文件系統(tǒng)的掛載方法，下篇介紹如何通過掛載實例關聯掛載點和超級塊。

2. vfs 幾個重要對象

在這里我們不介紹整個IO棧，只說明和文件系統(tǒng)相關的vfs和具體文件系統(tǒng)層。我們知道在Linux中通過虛擬文件系統(tǒng)層VFS統(tǒng)一所有具體的文件系統(tǒng)，提取所有具體文件系統(tǒng)的共性，屏蔽具體文件系統(tǒng)的差異。VFS既是向下的接口（所有文件系統(tǒng)都必須實現該接口），同時也是向上的接口（用戶進程通過系統(tǒng)調用最終能夠訪問文件系統(tǒng)功能）。
下面我們來看下，vfs中幾個比較重要的結構體對象：

2.1 file_system_type

這個結構來描述一種文件系統(tǒng)類型，一般具體文件系統(tǒng)會定義這個結構，然后注冊到系統(tǒng)中；定義了具體文件系統(tǒng)的掛載和卸載方法，文件系統(tǒng)掛載時調用其掛載方法構建超級塊、跟dentry等實例。
文件系統(tǒng)分為以下幾種：
1）磁盤文件系統(tǒng)
文件在非易失性存儲介質上(如硬盤，flash)，掉電文件不丟失。
如ext2,ext4,xfs
2）內存文件系統(tǒng)
文件在內存上，掉電丟失。
如tmpfs
3）偽文件系統(tǒng)
是假的文件系統(tǒng)，是利用虛擬文件系統(tǒng)的接口（可以對用戶可見如proc、sysfs,也可以對用戶不可見內核可見如sockfs,bdev）。
如proc,sysfs,sockfs,bdev
4）網絡文件系統(tǒng)
這種文件系統(tǒng)允許訪問另一臺計算機上的數據，該計算機通過網絡連接到本地計算機。
如nfs文件系統(tǒng)
結構體定義源碼路徑：include/linux/fs.h 2226

2.2 super_block

超級塊，用于描述塊設備上的一個文件系統(tǒng)總體信息（如文件塊大小，最大文件大小，文件系統(tǒng)魔數等），一個塊設備上的文件系統(tǒng)可以被掛載多次，但是內存中只能有個super_block來描述（至少對于磁盤文件系統(tǒng)來說）。
結構體定義源碼路徑：include/linux/fs.h 1414

2.3 mount

掛載描述符，用于建立超級塊和掛載點等之間的聯系，描述文件系統(tǒng)的一次掛載，一個塊設備上的文件系統(tǒng)可以被掛載多次，每次掛載內存中有一個mount對象描述。
結構體定義源碼路徑：fs/mount.h 39

2.4 inode

索引節(jié)點對象，描述磁盤上的一個文件元數據（文件屬性、位置等），有些文件系統(tǒng)需要從塊設備上讀取磁盤上的索引節(jié)點,然后在內存中創(chuàng)建vfs的索引節(jié)點對象，一般在文件第一次打開時創(chuàng)建。
結構體定義源碼路徑：include/linux/fs.h 610

2.5 dentry

目錄項對象，用于描述文件的層次結構，從而構建文件系統(tǒng)的目錄樹，文件系統(tǒng)將目錄當作文件，目錄的數據由目錄項組成，而每個目錄項存儲一個目錄或文件的名稱和索引節(jié)點號等內容。每當進程訪問一個目錄項就會在內存中創(chuàng)建目錄項對象（如ext2路徑名查找中，通過查找父目錄數據塊的目錄項，找到對應文件/目錄的名稱，獲得inode號來找到對應inode）。
結構體定義源碼路徑：include/linux/dcache.h 90

2.6 file

文件對象，描述進程打開的文件，當進程打開文件時會創(chuàng)建文件對象加入到進程的文件打開表，通過文件描述符來索引文件對象，后面讀寫等操作都通過文件描述符進行（一個文件可以被多個進程打開，會由多個文件對象加入到各個進程的文件打開表，但是inode只有一個）。
結構體定義源碼路徑：include/linux/fs.h 915

3. 掛載總體流程

3.1系統(tǒng)調用處理

用戶執(zhí)行掛載是通過系統(tǒng)調用路徑進入內核處理，拷貝用戶空間傳遞參數到內核，掛載委托do_mount。
//fs/namespace.c
SYSCALL_DEFINE5(mount
參數：
dev_name 要掛載的塊設備
dir_name 掛載點目錄
type 文件系統(tǒng)類型名
flags 掛載標志
data 掛載選項
-> kernel_type = copy_mount_string(type); //拷貝文件系統(tǒng)類型名到內核空間
-> kernel_dev = copy_mount_string(dev_name) //拷貝塊設備路徑名到內核空間 -> options = copy_mount_options(data) //拷貝掛載選項到內核空間
-> do_mount(kernel_dev, dir_name, kernel_type, flags, options) //掛載委托do_mount