linux文件系统 – 初始化(一)

linux文件系统 - 初始化(一)
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术语表:

struct task:进程

struct mnt_namespace:命名空间

struct mount:挂载点

struct vfsmount:挂载项

struct file:文件

struct super_block:超级块

struct dentry:目录

struct inode:索引节点

一、目的

linux文件系统主要分为三个部分:文件系统调用;虚拟文件系统(VFS);挂载到VFS的实际文件系统。

其中,VFS是核心,linux文件系统的本质就是在内存中创建一棵VFS树。当根目录被创建后,用户就可以使用系统调用在VFS上创建文件、删除文件、挂载各种文件系统等操作。

该系列文章主要分析linux3.10文件系统初始化过程,分为三个阶段:

1、挂载根文件系统(rootfs);

2、加载initrd;

3、挂载磁盘文件系统;

二、常用数据结构

linux文件系统中重要的数据结构有:文件、挂载点、超级块、目录项、索引节点等。每个数据结构的具体实现请参见源代码,这里不再描述。

为了直观的表示数据结构之间的关系,请参见图1:图中含有两个文件系统(红色和绿色表示的部分),并且绿色文件系统挂载在红色文件系统tmp目录下。一般来说,每个文件系统在VFS层都是由挂载点、超级块、目录和索引节点组成;当挂载一个文件系统时,实际也就是创建这四个数据结构的过程,因此这四个数据结构的地位很重要,关系也很紧密。由于VFS要求实际的文件系统必须提供以上数据结构,所以不同的文件系统在VFS层可以互相访问。

如果进程打开了某个文件,还会创建file(文件)数据结构,这样进程就可以通过file来访问VFS的文件系统了。

另外,该图只给出了主要的关系结构,忽略了部分细节。

在这里插入图片描述
图1

三、函数调用关系

图2描述了文件系统初始化过程中主要的函数调用关系。linux文件系统初始化过程主要分为三个阶段:

1、vfs_caches_init()负责挂载rootfs文件系统,并创建了第一个挂载点目录:'/';

2、rest_init()负责加载initrd文件,扩展VFS树,创建基本的文件系统目录拓扑;

3、init程序负责挂载磁盘文件系统,并将文件系统的根目录从rootfs切换到磁盘文件系统;

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               图2

四、总结

linux文件系统初始化过程主要分为三个阶段:挂载rootfs,提供第一个挂载点''/;加载initrd,扩展VFS树;执行init程序,完成linux系统的初始化。下面会详细介绍每个阶段的主要内容。

挂载rootfs文件系统

一、目的

本文主要讲述linux3.10文件系统初始化过程的第一阶段:挂载rootfs文件系统。

rootfs是基于内存的文件系统,所有操作都在内存中完成;也没有实际的存储设备,所以不需要设备驱动程序的参与。基于以上原因,linux在启动阶段使用rootfs文件系统,当磁盘驱动程序和磁盘文件系统成功加载后,linux系统会将系统根目录从rootfs切换到磁盘文件系统。

二、主要函数调用过程

图1描述了挂载rootfs的函数调用关系(图中红色部分),便于后面的分析。

从图中发现,在挂载rootfs前会先挂载sysfs,这样做的原因是确保sysfs能够完整的记录下设备驱动模型。

sysfs_init()完成注册和挂载sysfs文件系统的功能;init_rootfs()负责注册rootfs,init_mount_tree()负责挂载rootfs,并将init_task的命名空间与之联系起来。

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                               图1

三、linux文件系统初始化

vfs_cache_init()首先建立并初始化目录hash表dentry_hashtable和索引节点hash表inode_hashtable;然后设置内核可以打开的最大文件数;最后调用mnt_init()完成sysfs和rootfs文件系统的注册和挂载。

linux使用哈希表存储目录和索引节点,以提高目录和索引节点的查找效率;dentry_hashtable是目录哈希表,inode_hashtable是索引节点哈希表。

四、挂载sysfs文件系统

sysfs用来记录和展示linux驱动模型,sysfs先于rootfs挂载是为全面展示linux驱动模型做好准备。

mnt_init()调用sysfs_init()注册并挂载sysfs文件系统,然后调用kobject_create_and_add()创建"fs"目录。

下面详细介绍sysfs文件系统的挂载过程:

1、sysfs_init()调用register_filesystem()注册文件系统类型sysfs_fs_type,并加入到全局单链表file_systems中。sysfs_fs_type定义如下,.mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的创建和初始化工作。

173     err = register_filesystem(&sysfs_fs_type);  
174     if (!err) {  
175         sysfs_mnt = kern_mount(&sysfs_fs_type);  
176         if (IS_ERR(sysfs_mnt)) {  
177             printk(KERN_ERR "sysfs: could not mount!
");  
178             err = PTR_ERR(sysfs_mnt);  
179             sysfs_mnt = NULL;  
180             unregister_filesystem(&sysfs_fs_type);  
181             goto out_err;  
182         }   

2、sysfs_init()->kern_mount()->vfs_kern_mount()创建并初始化struct mount挂载点,并使用全局变量sysfs_mnt保存该挂载点的挂载项(mnt成员)。

3、kern_mount()调用sysfs_fs_type的.mount成员sysfs_mount()创建并初始化超级块、根目录’/'、根目录的索引节点等数据结构;并且把超级块添加到全局单链表super_blocks中,把索引节点添加到hash表inode_hashtable和超级块的inode链表中。

4、目前,我们可以得出一个重要结论:kern_mount()主要完成挂载点、超级块、根目录和索引节点的创建和初始化操作,可以看成是一个原子操作,这个函数以后会频繁使用。

796 mnt->mnt.mnt_root = root;  
797 mnt->mnt.mnt_sb = root->d_sb;  
798 mnt->mnt_mountpoint = mnt->mnt.mnt_root;  
799 mnt->mnt_parent = mnt;  

5、mnt_init()调用kobject_create_and_add()创建"fs"目录。

通过以上步骤,sysfs文件系统在VFS中的视图如图2所示:挂载点指向超级块和根目录;超级块处在super_blocks单链表中,并且链接起所有属于该文件系统的索引节点;根目录’/'和目录"fs"指向各自的索引节点;为了提高查找效率,索引节点保存在hash表中。

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图2

五、挂载rootfs文件系统

mnt_init()调用init_rootfs()注册rootfs,然后调用init_mount_tree()挂载rootfs。

下面详细介绍rootfs文件系统的挂载过程:
1、mnt_init()调用init_rootfs()注册文件系统类型rootfs_fs_type,并加入到全局单链表file_systems中。rootfs_fs_type定义如下,mount成员函数负责超级块、根目录和索引节点的建立和初始化工作。

static struct file_system_type rootfs_fs_type = {
	.name		= "rootfs",
	.mount		= rootfs_mount,
	.kill_sb	= kill_litter_super,
};

2、init_mount_tree()调用vfs_kern_mount()挂载rootfs文件系统,详细的挂载过程与sysfs文件系统类似,不再赘述。

3、init_mount_tree()调用create_mnt_ns()创建命名空间,并设置该命名空间的挂载点为rootfs的挂载点,同时将rootfs的挂载点链接到该命名空间的双向链表中。

4、init_mount_tree()设置init_task的命名空间,同时调用set_fs_pwd()和set_fs_root()设置init_task任务的当前目录和根目录为rootfs的根目录’/'。

通过以上分析,我们发现sysfs和rootfs的区别在于:虽然系统同时挂载了sysfs和rootfs文件系统,但是只有rootfs处于init_task进程的命名空间内,也就是说系统当前实际使用的是rootfs文件系统。

此时,sysfs和rootfs在VFS中的视图如图3所示:为了突出主要关系,省略了挂载点指向超级块和根目录。

从图中看出,rootfs处于进程的命名空间中,并且进程的fs_struct数据结构的root和pwd都指向了rootfs的根目录’/‘,所以用户实际使用的是rootfs文件系统。另外,rootfs为VFS提供了’/'根目录,所以文件操作和文件系统的挂载操作都可以在VFS上进行了。
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图3

六、总结!

linux文件系统在初始化时,同时挂载了sysfs和rootfs文件系统,但是只有rootfs处于进程的命名空间中,且进程的root目录和pwd目录都指向rootfs的根目录。至此,linux的VFS已经准备好了根目录(rootfs的根目录’/'),此时用户可以使用系统调用对VFS树进行扩展。