第8章-Linux文件系统资料

第8章Linux文件系统8.1Linux文件系统的特点8.2ext2文件系统8.3Linux虚拟文件系统VFS8.4Linux的设备管理8.1Linux文件系统的特点1.字节流文件Linux不关心文件的结构ASCII文件与二进制文件无本质区别2.目录当作文件8.1Linux文件系统的特点3.文件描述符（filedescriptor）一个整数，用于标识文件open/creat时由系统分配，close时释放3个固定的标准文件描述符：0：标准输入1：标准输出2：标准错误输出第1个打开的文件描述符是3。8.1Linux文件系统的特点4.文件的种类（1）正规文件（regularfile）：普通文件（2）目录文件（3）特殊文件设备文件：字符特殊文件，块特殊文件（4）套接字（socket）只是抽象成文件，不是真正的文件（5）管道（6）符号链接和硬链接：用ln命令可创建8.1Linux文件系统的特点5.支持多种文件系统支持ext，FAT，ext2，ext3，MINIX，MSDOS等Linux的第1个文件系统是MINIX1992，第1个专门为Linux设计的文件系统extext:ExtendedFileSystemextext2ext3ext2是Linux的主要文件系统8.1Linux文件系统的特点引入虚拟文件系统VFS（VirtualFileSystem）VFS为用户程序提供了一个统一、抽象、虚拟的文件系统接口，该接口主要由一组标准的、抽象的有关文件操作的系统调用构成8.2ext2文件系统一、ext2文件系统的物理结构引导块（bootblock）：装有启动OS的引导代码。当有多个文件系统时，只有1个有引导代码块组（blockgroup）：由1个或多个连续的柱面组成8.2ext2文件系统超级块（superblock）：每个块组一个副本包含文件系统本身的基本信息：数据块的大小每组数据块的个数第1个I节点的号，即根目录的入口通常只有块组0的超级块才被读入内存，其他块组的超级块用于备份。在系统运行期间，超级块被复制到内存缓冲区中，形成了一个ext2_super_block结构。8.2ext2文件系统块组描述符每个块组都有一个相应的组描述符来描述它，所有的组描述符形成一个组描述符表，并在使用时被调入块高速缓存。一个文件系统的所有数据块组描述符组成一个表，每一个块组在超级块后都包含一个数据块组描述符表的副本，以防遭到破坏。8.2ext2文件系统位图ext2中每个块组有两个位图块，一个用于表示数据块的使用情况，叫数据块位图；另一个用于表示索引节点的使用情况，叫索引节点位图。位图中的每一位表示该组中一个数据快或一个索引块的使用情况，为0表示空闲，为1表示已分配。8.2ext2文件系统二、几个重要的数据结构1.磁盘索引节点ext2_inode文件类型：普通文件、目录文件、字符特殊文件、块特殊文件访问权限文件长度（字节数）用户id、组id与该I节点链接的文件数文件的建立时间、最近访问/修改时间文件的物理地址（数据块指针）i_block[0]~i_block[14]…Ｉ节点12个直接地址项三次间接块一次间接块二次间接块一次间接块一次间接块二次间接块数据块数据块数据块i_block[0]i_block[1]…i_block[10]i_block[11]i_block[12]i_block[13]i_block[14]数据块磁盘I节点ext2_inode说明：设每个盘块1KB，块号用4B表示用i_block[0]~i_block[11]：文件最大长度=12KB用i_block[12]：1K/4=256，文件最大长度=256KB用i_block[13]：文件最大长度=256*256=64MB用i_block[14]：文件最大长度=256*256*256=16GB磁盘I节点ext2_inode如何根据文件的逻辑地址偏移量得到物理地址？字节偏移量/每块字节数商：逻辑块号余数：块内偏移量if逻辑块号i12：物理块号为i_block[i]12=i268：需要查一次间接块等等。磁盘I节点ext2_inode8.2ext2文件系统2.目录项文件名文件名长度索引节点号8.2ext2文件系统3.内存索引节点inode文件被打开后，在内存中建立相应的I节点，利于访问。除了磁盘I节点的信息外，还包括：引用计数：记录访问该I节点的进程数8.2ext2文件系统4.用户打开文件表和系统打开文件表（1）用户打开文件表又称为进程打开文件表，或文件描述符表由task_struct的字段files所指向记录进程当前打开的文件其中的fd字段是一个指向file对象（结构）的指针数组，数组的索引就是文件描述符。file对象构成的链表就是系统打开文件表8.2ext2文件系统（2）系统打开文件表由若干file结构组成每个file结构包含下列字段：f_mode：文件打开的方式f_pos：文件当前的读写位置f_flags：文件属性（有许多标志位）f_count：引用计数f_inode：指向VFS中该文件的内存I节点f_op：指向file_operations结构，该结构包含文件操作的各种例程8.2ext2文件系统数据块…task_structfiles…countfiles_struct…fd[0]fd[1]fd[2]fd[3]…进程打开文件表f_modefilef_posf_flagsf_countf_inodef_op…系统打开文件表…inodefile_operations…readwrite…文件操作例程8.2ext2文件系统说明：当父子进程共享同一个文件时，它们使用同一个file结构；以上介绍的内存I节点以及系统打开文件表、用户打开文件表，实际上是VFS提供的。8.3Linux虚拟文件系统VFS一、VFS的原理VFS建立在具体文件系统之上，为用户程序提供一个统一、抽象、虚拟的文件系统接口。虚拟文件系统也叫虚拟文件系统转换（VirtualFilesystemSwitch，简称VFS）。VFS的各种数据结构都是随时建立或删除的，在磁盘上并不永久保存，只能存放在内存之中。VFS是Linux核心的一部分，其他内核子系统与VFS打交道，VFS又管理其他具体的文件系统。所以VFS是文件系统和Linux内核的接口，VFS以统一数据结构管理各种具体的文件系统，接受用户层对文件系统的各种操作。8.3Linux虚拟文件系统VFS二、VFS的通用文件模型VFS的文件模型由下列对象组成：1）超级块super_block：存放已挂装文件系统的有关信息2）索引节点inode：一个具体文件的信息3）文件file：打开文件与进程之间进行交互的有关信息4）目录项dentry8.3Linux虚拟文件系统VFSVFS与具体文件系统的接口：1）super_operations超级块操作，实现文件系统的挂装、卸载等。用来将VFS对超级块的操作转化为具体文件系统处理这些操作的函数。内核为每一个挂装的文件系统分配一个超级块VFS超级块super_block包括的内容有：s_fs_info：指向具体文件系统的超级块信息s_op：指向super_operations8.3Linux虚拟文件系统VFS2）file_operations用来将VFS对file结构的操作转化为具体文件系统处理这些操作的函数file有一个字段f_op，指向file_operations3）inode_operations用来将VFS对索引节点的操作转化为具体文件系统处理相应操作的函数。8.3Linux虚拟文件系统VFS三、对Linux文件系统的整体理解从资源管理的角度来看，每个文件要在磁盘上占用哪些资源？当文件被打开后，在内存要占用哪些资源（数据结构）？对Linux文件系统的整体理解每个文件要在磁盘上占用3种资源：1）1个目录项：记录文件名和I节点号2）1个磁盘I节点：记录文件的属性和地址3）若干盘块：记录文件内容文件被打开后，在内存增加3种资源：1）1个内存I节点：文件说明信息2）系统打开文件表的1项：1个file对象3）用户打开文件表中的1项一个文件系统的结构例文件数据块根目录inode/usr文件内容/usr/src目录文件的内容binusrdevinodeinodelib…srcinodeinode…test.ctest1.c…inode根目录文件的内容rootbinusrdevlibsrctest.ctest1.c硬链接8.3Linux虚拟文件系统VFS四、查找文件根据路径名得到磁盘I节点【例】查找文件/usr/src/test1.c。文件系统结构见前例。1）按照超级块中根目录的I节点找到根目录的数据块；2）在根目录的数据块中找到/usr对应的目录项，然后找到/usr的I节点→/usr文件的数据块地址→/usr/src对应的目录项→/usr/src的I节点→/usr/src文件的数据块地址→/usr/src/test1.c对应的目录项→/usr/src/test1.c的I节点3）得到I节点后，就可以获取文件数据块地址，从而访问文件。8.3Linux虚拟文件系统VFS五、文件系统调用1)openfd=open(char*filename,intoflag[,intmode])filename：文件名oflag：打开方式mode：给出文件访问权限，文件创建时使用功能：根据oflag的值打开文件，也可以创建文件。成功则返回文件描述符，否则返回-1。2)closeclose(intfd)；//关闭文件文件系统调用3)readn=read(intfd,char*buf,intnbyte);功能：读fd所指文件，从当前位置读nbyte个字节放入buf，返回实际读出的字节数。4)writen=write(intfd,char*buf,intnbyte);功能：写fd所指文件，将buf中的nbyte个字节写入文件，返回实际写入的字节数。5)lseekpos=lseek(intfd,longoffset,intorigin)功能：文件指针定位。8.4Linux的设备管理一、基本思想1）设备作为一种特殊文件字符特殊文件：用于字符设备，如键盘块特殊文件：用于块设备，如磁盘2）用户通过文件系统访问设备，VFS为应用程序隐藏设备文件和普通文件的差异3）每类设备对应自己的驱动程序4）每个设备对应文件系统的一个I节点，都有一个文件名。设备的文件名一般由2部分构成：主设备号：设备类型，可唯一确定设备驱动程序和接口次设备号：具体设备在同类设备中的序号8.4Linux的设备管理二、设备驱动程序与文件系统的接口设备开关表：引导系统调用转向相应驱动程序中的函数，包括块设备开关表与字符设备开关表指出缺省的文件操作（open,close,read,write等）与相应设备操作函数的对应关系例如：进程请求分配一个设备，即打开一个设备，可以通过系统调用open()来完成。8.4Linux的设备管理文件系统与设备驱动程序的关联设备开关表例8.4Linux的设备管理三、块设备缓冲系统在文件系统和设备驱动程序之间设置了缓冲池含有最近使用过的数据块