檔案系統

        Linux核心的應用層是以 檔案系統 為核心展開，以檔案系統作為整個核心應用層的核心，理由如下：

--檔案系統本身具有重大作用：

    分散式檔案系統的廣泛應用讓檔案系統成為當前核心應用的熱門

--檔案系統在整個核心架構中具有基礎架構性質：

    字元裝置、塊裝置 這些裝置驅動 需要依靠檔案系統來實現。裝置管理的基礎架構也要依靠檔案系統(sysfs)。裝置和驅動 是國內當前在核心層面應用，也是國內底層開發中應用最多的方面。

        從檔案系統入手，掌握基本概念和實現架構後，可以從穩健系統引出裝置檔案的概念，裝置檔案可以引申到 字元裝置 和 塊裝置，這樣從 檔案系統 過度到 裝置管理。

裝置管理包含 裝置驅動， 裝置驅動要用到中斷，裝置裡面的塊裝置又控制了 通用塊層 和 I/O排程。 

而檔案系統向外引申又和網路的socket聯絡。

        深入檔案系統的的程式碼，可以瞭解到記憶體的頁面管理。

        從檔案系統出發，層次推進基本囊括了核心的應用層的重要概念和架構。

2.1 檔案系統的基本概念

2.1.1 VFS

        VFS------ VIrtual File System 虛擬檔案管理系統

linux核心通過虛擬檔案系統(VFS)管理檔案系統；

VFS是linux核心檔案系統的一個極其重要的基礎設施，VFS為 所有的檔案系統提供統一的介面，對每個檔案系統的訪問都需要通過VFS定義的介面來實現。同時，VFS也是一個極其重要的架構，所有的linux檔案系統都必須按照VFS定義的方式來實現；

VFS存在於記憶體中，將硬碟上的檔案系統抽象到記憶體中。

VFS定義了幾個重要結構：

dentry、inode、super_block，通過這些結構將真實的硬碟檔案系統抽象到記憶體。

通過管理dentry、inode、super_block這幾個物件就可以完成對檔案系統的一些操作-----合適的時候仍需要將記憶體資料寫入到硬碟

2.1.2 超級塊super_block

超級塊suoer_block代表整個檔案系統本身。

超級塊是對應檔案系統本身的控制塊結構【可參考ext2檔案系統的超級塊結構】。

超級塊儲存了檔案系統設定的檔案塊大小，超級塊的操作函式，檔案系統內所有的inode也要連結到超級塊的表頭

對於一個具體檔案系統的控制塊可能還含有另外的資訊，通過超級塊物件，可以找到這些必要的資訊。

超級快的內容需要讀取具體檔案系統在硬碟上的超級塊獲得，所以超級塊是具體文本系統超級塊的記憶體抽象。

超級塊物件整個結構很龐大龐雜，以下是超級塊的簡化後的定義：

---------------------------------------------------------------------------------------
struct super_block{
	unsigned longs_blocksize;
	unsigned chars_blocksize_bit;
......
	unsigned long longs_maxbytes;
	struct file_system_type*s_type;
	struct super_operations*s_op;

	unsigned longs_magic;
	struct dentry*s_root;

	struct list_heads_inodes;
	struct list_heads_dirty;

	struct block_device*s_bdev;
	void*s_fs_info;
}

1）超級塊結構給出了檔案系統的全域性資訊

*s_blocksize---指定了檔案系統的大小

*s_maxbytes---指定檔案系統中最大檔案的尺寸

*s_type         ---指向file_system_type結構的指標

*s_magic      ---魔術數字，每個檔案系統都有一個魔術數字

*s_root---指向檔案 系統根dentry的指標

超級塊還定義了一些連結串列頭:

*s_inode---指向檔案系統內所有的iNode，通過他可以遍歷inode物件

*s_dirty  ---指向所有dirty的inode物件

*s_block---指向檔案系統存在的塊裝置指標

2）超級塊結構包含一些函式的指標

-------super_operation提供了最重要的超級塊操作。

例如super_operation的成員函式read_inode提供讀取inode資訊的功能。

每個具體的檔案系統需要提供這個函式來實現對inode資訊的讀取，例如ext2檔案系統--具體函式是ext2_read_inode。

（我們可以理解為‘VFS提供了架構，具體檔案系統按照VFS的架構實現’）

目錄項dentry

----檔案和目錄一般按照樹狀結構儲存。目錄項【dentry】就反應了檔案系統的這種樹狀關係。

---在VFS中，目錄本身就是一個檔案；

---------------------------------------------------------------------------

struct  dentry {

..../省略dentry鎖、標誌等程式碼/

struct inode*d_inode;

struct hlist_noded_hash;

struct dentry*d_parent;

struct qstrd_name;

/*d_child and d_rcu can share memory*/

union {

  struct list_head_dd_child;

  struct rcu_headd_rcu;

} d_u;

structlist_headd_subdirs;

structdentry_operations*d_op;

structsuper_block*d_sb;

intd_mounted;

}

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對dentry的解釋如下：

索引節點inode

---inode代表一個檔案。inode儲存了一個檔案的大小、建立時間、檔案的塊大小等引數，以及檔案的讀寫函式、檔案的讀寫快取等資訊。

---檔案只有一個inode，可以有多個dentry【指向檔案的路徑可以多個（考慮檔案的連結）】。

inode和dentry分別代表檔案通用的兩個部分

inode結構定義十分龐大，簡化重點的幾個結構成員如下：

--------------------------------------------------------------------------------------

struct inode {

struct list_headi_list;

struct list_headi_sb_list;

struct list_headi_dentry;

unsigned longi_ino;

atomic_ti_count;

loff_ti_size;

unsigned inti_blkbits;

struct inode_operations*i_op;

const struct file_operation*i_fop;

struct address_space*i_mapping;

struct block_device*i_bdev;

......

};

--------------------------------------------------------------------------------------

inode 結構解釋：

--i_list： 連結描述inode當前狀態的連結串列

--i_sb_list：連結到超級塊中的inode連結串列

***當建立一個新的inode的時候，成員i_list連結到inode_in_use這個連結串列【表示inode在使用狀態】，同時成員i_sb_list連結到檔案系統超級塊的s_inode連結串列頭。

--i_dentry：一個檔案有多個dentry，這些dentry都連線到成員i_dentry這個連結串列頭

------i_ino：inode的號

------i_count：inode的引用計數

------i_size：以位元組為單位的檔案長度

-i_blkbits：檔案塊的位數

檔案

檔案物件的作用是描述 程序 和 檔案 互動 的 關係；

硬碟上並不存在一個檔案結構

程序開啟一個檔案，核心就動態建立一個檔案物件

同一個檔案，在不同程序中有不同的檔案物件

檔案的結構定義如下程式碼清單：

-------------------------------------------------------------------------

struct file {

  struct dentry*f_dentry;

  struct vfsmount*f_vfsmnt;

  const struct file_operation*f_op;

.......

  loff_tf_ops;

  struct fown_structf_owner;

  usigned intf_uid,

  struct file_ra_statef_ra;

  struct address_space*f_mapping;

}

-------------------------------------------------------------------------

--f_ra： 用於檔案預讀的設定---在第10章繼續分析檔案

註釋：

檔案預讀：

--對於檔案的預讀，Linux核心提供了預讀策略------比要求讀的長度多讀一些，儲存在page cache裡，後續讀如果是順序的，馬上可以利用page cache的資料返回，不必再次讀硬碟。對於硬碟這種慢速裝置來說，利用快取資料可以大大提升I/O傳輸效率。

核心提供預設的預讀引數，程式碼清單如下：

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

struct  backing_dev_info  default_backing_dev_info = {

.ra_page=(VM_MAX_READAHEAD * 1024)  /  PAGE_CACHE_SIZE,

.state=0,

.capabilities=BDI_CAP_MAP_COPY,

.unplug_io_fn=default_unplug_io_fn,

}

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

linux-2.6.39\mm\backing-dev.c

struct backing_dev_info default_backing_dev_info = {
	.name		= "default",
	.ra_pages	= VM_MAX_READAHEAD * 1024 / PAGE_CACHE_SIZE,
	.state		= 0,
	.capabilities	= BDI_CAP_MAP_COPY,
};

VM_MAX_READAHEAD 預設設定為128KB，即預設讀取頁面是32個4KB的頁面。

Linux核心會根據檔案讀取是否順序啟動預讀引數和設定預讀視窗，對於連續的順序讀，會盡量多讀一些內容填充page cache。