Linux文件系统的设计

总论:

linux的文件系统设计非常优秀,总的来讲有两大部分,第一部分就是树形的组织结构,第二部分就是vfs,树形的组织结构组织了文件系统的表象,用户非常方便的使用,而vfs是文件系统的实现机理,它处于内核态,不但实现了树形结构的mount机制,并且还提供了一个统一的接口用来訪问设备。
一、Linux文件系统概述
1、Linux文件系统组织
Linux中使用树来组织文件系统。整个文件系统构成了一颗树,这棵树以/为根。整个系统有且仅仅有这一颗文件树。这棵树描写叙述了文件系统的拓扑结构,没有不论什么文件系统的类型信息。
2、mount机制
linux使用mount机制扩展文件系统,使不同类型的文件系统能够挂载在系统的文件树的不论什么位置。mount机制使文件树有了类型属性,支持了不同类型的文件系统的挂载。
如图所看到的。

能够看到假设不考虑挂载点,整个文件系统就是一棵树,假设考虑了挂载点,这棵树原来是嫁接而成的,能够包括各种不同种类的文件系统。正如桥片扩展了总线一样,挂载点扩展了文件树,和扩展总线不同的是,随意文件夹都能够是挂载点,可是不是随意芯片都是能够作为桥的。(网桥/交换机扩展以太网也是一样的道理,和mount机制更加相似一些,由于你仅仅须要插入一个多port网卡就能够作为一个网桥了。)
3、mount机制的优点
mount能够屏蔽文件系统的类型,全部类型的文件系统共享一棵树,可是实现却能够不同样。用户进程能够使用同样的系统调用接口訪问全部的文件系统,而不必在意訪问的文件是什么类型的。mount机制使一棵文件树得以多样化,然而又能够向用户屏蔽这样的多样化。这样的多样化是通过vfs实现的。
4、单棵树组织+mount扩展
Linux的文件系统和磁盘并不绑定,文件系统就是一棵树,是一个虚拟的概念,没有介质,没有容量,没有读写规则,唯独在挂载(mount)发生的时候,也就是详细的文件系统挂载的时候,某个挂载点才和介质建立联系,然而此时对于文件系统来讲仍然没有容量的概念,容量不过挂载于此文件夹的磁盘设备的属性,假设磁盘空间满了,仍然能够通过在此磁盘的一个文件夹上mount一个新的文件系统来解决,而新的文件系统在一块新的磁盘上。
5、和Windows文件系统的对照
Windows显式的分离了各种文件系统,尽管Windows在操作接口上也吸取了Unix中“一切皆文件”的思想。在接口级别,windows也使用同样的API来訪问各类文件,比方ReadFile,WriteFile等,然而在操作级别,windows却没有实现一致性,在操作级别,windows的文件系统主要指以磁盘为介质的文件系统,因此windows没有必要用一棵树包括全部的文件,而是区分成了各个盘符,然而这样的方式有个弊端,那就是不易扩展,由于单个盘符限制了容量,磁盘直接和文件系统绑定。因此,Windows不以单棵树树来组织文件系统,windows非常难用mount来扩展文件系统。
二、VFS概述
1、VFS
虚拟文件系统或者虚拟文件插口,叫做插口更合适,也是官方的叫法,vfs向上和用户进程文件訪问系统调用接口,如open,read,write等,向下和详细不同文件系统的实现接口,如read,write的不同实现。例如以下图所看到的:


2、VFS的重要性
VFS屏蔽了详细文件的实现细节,向上提供统一的操作接口。通过VFS能够实现随意的文件系统,这些文件系统通过文件訪问系统调用都能够訪问。在操作系统内核中,vfs是对离用户态近期的一层,由于它的存在,linux的使用才变得方便。实际上,正是vfs实现了树形的文件系统组织,然而vfs的作用还不止这些,设备的文件抽象也是通过vfs来实现的。
3、VFS举例
3.1、procfs
3.2、sysfs
3.3、cpusetfs
3.4、ntfs
3.5、extX
3.6、随意你想实现的。
须要做什么呢?仅仅须要在一大堆switch函数例程中实现你的逻辑就可以,就是说实现file_operations函数集合就可以。注意,在linux中,文件和存储没有必定关系,实际上没有不论什么关系,也就是说linux中的文件有的不须要被存储,比方proc文件夹中的文件,仅仅有在你read它的时候,数据才从内核出来,这个数据是内核逻辑提供的,而是可能实时变化,linux根本没有必要在还有一个地方再存储它。
4、一个重要结论
由于linux的树形文件系统是全然抽象的,因此它不和不论什么介质进行绑定,仅存在于内核其中,内核仅仅要起来,这个虚拟的树就存在了,仅仅是此时仅仅有树根,然而linux此时却能够挂载随意类型的文件系统到这个树根,这样就能够实现非常方便的定制,linux能够在initrd中挂载随意文件系统到树根,这是由于内核和文件系统是分离的概念,内核启动并不依赖不论什么文件系统。

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