從檔案系統的資料結構看 Linux 核心設計

跟隨陳老師學習linux核心兩個月了，對linux核心產生了極大的興趣，最近學習檔案系統，有一些自己的看法，很榮幸能在linux核心之旅進行分享^_^

本篇文章使用盡量 通俗 的語言來說明linux核心檔案系統中各個資料結構之間的關係，這是一個很複雜的結構關係，在學習這裡的時候一定要和原始碼一一對應起來，否則的話就會陷入迷茫之中。由於linux核心足夠複雜，就會有多種解釋方式，我認為所有關於linux核心的書籍，都是不同作者對核心的不同的看法，說不定這些看法對於linus本人來說都是很巧妙的，所以我在這裡也大膽地提出自己對linux核心設計方式的一些看法。

話不多說，我們上圖：

      我使用這張結構圖來進行說明，一共大概有10個結構體，我把它分成三條線來看，在圖中也標記好了，在看每一條線時，我們把它從整體結構中隔離出來看。

第一條線（ 綠色 ）

這一條線是程序部分，也就是以程序的眼光來看檔案系統。task_struct是一個非常複雜的結構體，我們在這裡只看與檔案系統相關的欄位。從現在開始，把自己當成一個核心設計者，接下來將要介紹的資料結構都是為了給程序提供完好的服務，使得程序可以正常執行。（這裡也可以體會到程序真的是OS的核心）

首先，程序在執行的時候，總歸會使用到檔案，那麼就會用open()和close()兩個函式，此時，就會產生圖中的第1個結構體file，另外程序使用到的檔案是很多的，所以會有很多個file（這裡說明一下，file還有一個很好的作用是併發訪問，不同的使用者在開啟相同檔案的時候都會產生file，這樣就可以實現互不干擾）產生，那麼這個時候就需要對這些file結構體進行管理，按照核心的標準套路，就是使用唯一標號，我們叫它檔案描述符，那麼自然而然地，我們可以想到，這麼多檔案描述符我們怎麼管理呢？再按照核心的標準套路，我們把它又封裝成一個結構體，這個結構體最主要的任務就是把這麼多file結構體進行很有條理的管理，從而方便程序的使用。這個結構體就是圖中第2個files_struct結構體了，看圖中的紅線，一個二級指標指向fd_arry陣列，數組裡存放著一個又一個的file結構體的地址，最重要的我們要讓PCB能夠使用到這個結構體，就放入一個欄位files指向files_struct。

（file結構體之後的dentry結構體部分先保留。）

第二條線（ 紅紫色 ）

這一條線是純正的檔案系統線，也就是我們現在是檔案系統，我現在需要正確的進入核心。

首先，每一種檔案系統都需要符合VFS的規定和核心的標準套路，我是一個檔案系統，那麼我的條條框框就很多，也就是欄位特別多，為了融入核心，我需要通過圖中第3個結構體file_system_type來進行註冊，換句話說，核心中有多少個檔案系統，就有多少個file_system_type結構體。之後，我是檔案系統，我自然而然就需要使用磁碟來存放檔案了，那麼這個時候有會有很多很多的細節，也就是存放在塊裝置上的管理資訊，這些資訊又有很多，那麼按照核心的設計套路，再次封裝成一個結構體，也就是圖中第4個結構體super_block結構體。我在這裡有一個疑問，就是一個file_system_type和一個super_block，這兩個有什麼區別又有什麼關係呢？因為我覺得只需要一個就夠了。在閱讀大量書籍後，我自己給出的答案是file_system_type是描述這個檔案系統的，而super_block是用來實際管理檔案系統的，二者是不同的作用，就好比註冊完以後，那張登錄檔還有別的作用嗎？

super_block也是一個極其龐大的結構體，它既然處於管理的地位，所以具體的一個個檔案就需要和它進行關聯，按照核心標準套路，一個個具體的檔案在核心中還是抽象成一個結構體，就是圖中的第5個結構體inode結構體，（多說一句，這兩個結構體之間是互聯的，各自有指標指向對方，而且檔案系統這裡的指標真的很精彩！），那麼inode代表了一個個實際的檔案，這時候，自然而然就需要目錄了，核心把目錄也當做一個檔案來處理，同樣抽象成一個結構體，也就是圖中的第6個結構體dentry結構體。

一二條線的交叉部分

這裡的交叉部分很巧妙，我學習檔案系統的時候，是從super_block開始學習的，所以順著下來是inode結構體，但是當時就在 想 ， 為什麼不先是dentry目錄，然後目錄下再存放inode呢？ 我自己的 答案 是：

• 站在第二條線來想，所謂目錄，是對檔案的劃分，所以得先有檔案，然後才能有目錄。

• 站在第一條線來想，我要開啟一個檔案，這個檔案已經存在了，那麼我就需要從目錄中去找，然後再往下找到inode

綜合兩條線來看，正是因為核心的這種設計方式，我們才會有在開啟一個檔案時先找目錄的習慣。

再次來體會圖中的交叉部分，dentry是很巧妙的。

第三條線（ 藍紫色 ）

我們直接來看圖中的第7個結構體，vfsmount結構體，這裡先說一下為什麼會有這麼個結構，我們在第二條線中說過了檔案系統註冊時的file_struct_type結構體了，但這個資訊還不夠，我們要正確使用一種檔案系統，就必須mount到根檔案系統的某個目錄上去，記得要root許可權哦，這個時候還是為了管理上的方便，又抽象出來一個結構體vfsmount，它存放的就是檔案安裝的相關資訊，它和PCB之間還需要建立連線，這裡又通過第8個結構體來建立連線，它在2.6原始碼中名字是namespace（2.4中是mnt_namespace）。

從檔案系統來看核心

這裡假設大家已經細讀了核心原始碼，我們可以發現，核心設計的標準套路，就是 抽象、管理、操作 ， 抽象 是分為兩種情況，一種是外部檔案的抽象，一種是內部資訊複雜而進行的抽象。那麼是怎麼進行 管理 的呢？舉個例子來說，只要核心中有許多獨立的結構體存在時，我們就通過雙向連結串列，單項鍊表，雜湊表這些方式進行管理。這裡可以體會一下資料結構的精華所在。 操作 的物件就是我們所抽象的一個個資料結構。我們在上面僅僅介紹了這幾個結構的關係，它們還只是資料結構而已，我們還需要操作，就是呼叫核心的API了，這些API的工作就是傳遞資料，從這個結構體中拿出資料放到另外的一個結構體中，所以所謂核心的執行，就是我們抽象出來的資料結構中資料的流動，在我們的腦海裡可以形成一個很壯觀的動態的場面。並且我始終堅信，核心所有解決問題的策略，都可以在我們現實生活中找到影子，畢竟，核心是人寫出來的嘛！

學習核心的方法

由於自己接觸linux核心時間不長，才疏學淺，班門弄斧了，如果有錯誤的地方歡迎大家指正，小趙萬分感謝:-D