Chapter 12.1 - 文件系统 总体功能

Created by : Mr Dk.

2019 / 08 / 31 19:52

Ningbo, Zhejiang, China

12.1 总体功能

文件系统 (File System, FS) 是 OS 的重要组成部分，是 OS 长期存储大量程序和数据的地方。

  • 系统加载执行程序时，需要快速从文件系统中读取到内存中运行
  • 系统运行产生的临时文件也需要动态地保存在文件系统中

文件系统需要使用高速设备来存储程序和数据 - 块设备。另外，UNIX 类 OS 通常通过设备文件来访问设备。

12.1.1 MINIX 文件系统

MINIX 文件系统与标准 UNIX 的文件系统基本相同：

  1. 引导块
  2. 超级块
  3. inode bitmap
  4. 逻辑块 bitmap
  5. inode
  6. 数据区 (盘块)

整个块设备被划分为以 1KB 为单位的 磁盘块。在 MINIX 1.0 文件系统中，磁盘块 与 逻辑块 的大小正好相同。

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引导块

引导块 是计算机上电时，由 ROM BIOS 自动读入的执行代码和数据盘块

  • 并非系统中的所有设备都用于作引导设备，所以这一盘块可以没有代码
  • 但每个盘块设备必须含有引导块的空间，保证文件系统格式的统一

对于容量巨大的设备，通常会划分出几个分区，每个分区中可以存放一个不同的完整文件系统。

硬盘的 第一个 扇区是 主引导扇区，存放

  • 硬盘引导程序
  • 分区表
    • 每个分区的类型
    • 在硬盘中起始位置的参数和结束位置的参数
    • 占用的扇区总数

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超级块

超级块 用于存放设备上文件系统的结构信息，并说明各部分的大小：

  • s_ninodes - inode 总数
  • s_nzones - 逻辑块总数
  • s_imap_blocks - inode bitmap 占用的磁盘块数
  • s_firstdatazone - 数据区开始处占用的第一个逻辑块号
  • s_log_zone_size - 2 为底的对数表示的每个逻辑块包含的磁盘块数，0 代表每个逻辑块包含 1 个磁盘块，即逻辑块大小 == 磁盘块大小
  • s_max_size - 最大文件长度 (字节)
  • s_magic - 指明文件系统的类型 - MINIX 1.0：0x137f

在 Linux 0.12 中，被加载的超级块存在数组 super_block[] 中。该表共有 8 项 - Linux 0.12 最多同时加载八个文件系统。

逻辑块 bitmap

描述盘上每个数据盘块的使用情况

除了 bit 0 以外，其余每个 bit 代表数据区中的一个 逻辑块。若逻辑块被占用，则 bitmap 中的相应的 bit 被置位。当所有数据盘块被占用时，查找盘块的函数会返回 0 值 - 闲置不用的 bit 0 被初始化为 1。逻辑块位图最多使用 8 个缓冲块 - 每个缓冲块 1024B，总共可用于表示 1024B × 8bit × 8 = 65536 个盘块。因此文件系统的最大块设备容量为 65536 × 1KB = 64MB。

inode bitmap

inode 用于存放盘设备上每个文件和目录名的索引信息。inode bitmap 用于说明 inode 是否被使用，每个 bit 代表一个 inode - 一个盘块可表示 8K 个 inode 的使用状态。inode bitmap 中的 bit 0 和 inode 0 都闲置不用。

inode

inode 结构使用 32 个字节，每个文件或目录都有一个 inode，存放文件或目录的相关信息：

  • 文件的宿主 id
  • 文件所属组的 gid
  • 文件长度
  • 访问修改时间
  • 文件数据块在盘上的位置
  • 文件被链接数
  • ...

i_mode 字段保存文件的 类型 和 访问权限属性。

文件中的数据存放在数据区中，数据区盘块的号码存放在 i_zone[] 数组中。

  • i_zone[0] - i_zone[6] 用于存放文件开始的 7 个磁盘块号：直接块
  • i_zone[7] 用于寻找 ＞ 7K 的文件内容：一次间接盘块
    • 在这个盘块中，存放着附加的盘块号
    • 盘块大小为 1K，盘块号为 short 类型，占 2B - 最多寻址 512 个盘块
  • i_zone[8] 用于寻找更大文件的其它盘块：二次间接盘块
    • 用于寻址 512 个 一次间接盘块
    • 共能寻址 512 × 512 个盘块

因此，MINIX 1.0 中文件的最大长度 = (7 + 512 + 512 × 512) × 1KB = 262663KB。

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另外，对于 /dev 目录下的设备文件来说：

  • 不占用数据区的逻辑块 - 文件长度为 0
  • inode 仅保存设备属性和设备号
  • 设备号存放在 inode 的 i_zone[0] 中

12.1.2 文件类型、属性和目录项

12.1.2.1 文件的类型和属性

UNIX 类 OS 中的文件通常可分为 6 类：

  1. 正规文件
  2. 目录名
  3. 符号链接文件
  4. 命令管道文件
  5. 字符设备文件
  6. 块设备文件

在 Linux 内核中，文件的类型信息保存在对应 inode 的 i_mode 字段中。

12.1.2.2 文件系统目录项结构

在文件系统的目录中，所有下属文件的目录项存储在该目录文件的 数据块 中。目录项结构体的格式：

#define NAME_LEN 14 // 文件名长度
#define ROOT_INO 1  // root inode number

struct dir_entry {
    unsigned short inode; // inode number
    char name[NAME_LEN];  // 文件名
}

因此一个逻辑块中可以存放 1024 ÷ 16 = 64 个目录项。打开文件时，文件系统根据给定的文件名找到 inode 号，再根据其 inode 找到文件对应的磁盘块。每个 inode 中都有链接计数字段 i_nlinks，记录了指向该 inode 的目录项数，即 硬链接 数。删除文件时，只有该值为 0 时，内核才会真正删除磁盘上该文件的数据。由于 inode 仅适用于当前文件系统中，因此 硬链接不能跨越文件系统。

而符号链接类型的文件名并不直接指向对应的 inode：

  • 符号链接会在对应文件的数据块中存放某一个文件的 路径名字符串
  • 当访问符号链接时，内核读取该文件中的内容，根据其中的字符串访问指定文件
  • 因此符号链接可以不局限在一个文件系统中

在每个目录中还包含两个特殊的文件目录项：

  • . - 指向当前目录的 inode
  • .. - 指向当前目录父目录的 inode

对于每个目录文件，链接计数值起码为 2

  • 当前目录对自身 inode 的引用
  • 当前目录的父目录对当前目录 inode 的引用

12.1.3 高速缓冲区

高速缓冲区是文件系统访问块设备数据的必经要道。为提高每次 I/O 操作的性能，内核在内存的内核代码区与主内存区之间开辟了高速缓冲区。高速缓冲区被划分为与磁盘数据块大小相等的缓冲块：

  • 存放着最近被使用过的块设备数据块
  • 需要从块设备读取数据时，缓冲区管理程序首先在高速缓冲中寻找
  • 若已在缓冲区，就不需要再从设备上读
  • 若不在缓冲区，则申请空闲缓冲块，并读取数据

把数据真正写到设备中 - 由设备数据同步实现。

12.1.4 文件系统底层函数

  • bitmap.c - 对 inode bitmap 和逻辑块 bitmap 进行释放和占用
  • truncate.c - 将文件长度截断为 0，并释放文件占用的设备逻辑块
  • inode.c - 分配和释放内存中的 inode
  • namei.c - 将给定的文件路径名映射到其 inode
  • super.c - 处理文件系统超级块

12.1.5 文件中数据的访问操作

  • 块设备 - block_read() / block_write()
  • 字符设备 - rw_char()
  • 管道设备 - read_pipe() / write_pipe()
  • 普通文件 - file_read() / file_write()

这些函数共同实现了 read() 和 write() 系统调用。内核通过文件结构 file、文件表 file_talbe[] 和内存中的 inode 表 inode_table[] 管理对文件的操作。

struct file {
    unsigned short f_mode;    // 文件操作模式
    unsigned short f_flags;   // 文件打开和控制标志
    unsigned short f_count;   // 文件句柄引用次数
    struct m_inode * f_inode; // 指向内存中对应的 inode
    off_t f_pos; // 文件当前读写指针的位置
};
struct file file_table[NR_FILE];

文件表是内核中文件结构体组成的数组，在 Linux 0.12 内核中，最多可有 64 项，因此整个系统最多同时打开 64 个文件。在进程的 PCB 中有一个 filp[NR_OPEN]

  • 表示本进程打开的文件
  • 数组下标对应文件描述符的值
  • 数组中的项对应指向文件表中打开的文件项

比如，filp[0] 就是进程的 0 号文件描述符，指向文件表中对应的文件结构体。内核中的 inode_table[NR_INODE] 是由内存 inode 结构体组成的数组。内核中同时只能保存最多 32 个 inode 的信息。

12.1.6 文件和目录管理系统调用

用户操作和访问文件系统中的文件均通过内核提供的系统调用实现：

  • open.c - 实现文件操作相关的系统调用：创建、打开、关闭等
  • exec.c - 实现对二进制可执行文件和 shell 脚本的加载与执行
  • fcntl.c - 实现了文件控制操作的系统调用 fcntl() 和两个文件描述符复制的系统调用 dup() 和 dup2()
  • ioctl.c - 实现了 I/O 控制系统调用 ioctl()
  • stat.c - 用于实现取得文件状态信息的系统调用 stat() 和 fstat()