深入理解Linux文件系统之文件系统挂载(上)

时间：2021-07-02 06:40:27

关键字： Linux 文件系统文件系统挂载

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[导读]本文主要讲解文件系统挂载核心逻辑，暂不涉及挂载命名空间和绑定挂载等内容（后面的内容可能会涉及），且以ext2磁盘文件系统为例讲解挂载。

1.开场白

环境：处理器架构：arm64内核源码：linux-5.11ubuntu版本：20.04.1代码阅读工具：vim ctags cscope

我们知道，Linux系统中我们经常将一个块设备上的文件系统挂载到某个目录下才能访问这个文件系统下的文件，但是你有没有思考过：为什么块设备挂载之后才能访问文件？挂载文件系统Linux内核到底为我们做了哪些事情？是否可以不将文件系统挂载到具体的目录下也能访问？下面，本文将详细讲解Linxu系统中，文件系统挂载的奥秘。
注：本文主要讲解文件系统挂载核心逻辑，暂不涉及挂载命名空间和绑定挂载等内容（后面的内容可能会涉及），且以ext2磁盘文件系统为例讲解挂载。本专题文章分为上下两篇，上篇主要介绍挂载全貌以及具体文件系统的挂载方法，下篇介绍如何通过挂载实例关联挂载点和超级块。

2. vfs 几个重要对象

在这里我们不介绍整个IO栈，只说明和文件系统相关的vfs和具体文件系统层。我们知道在Linux中通过虚拟文件系统层VFS统一所有具体的文件系统，提取所有具体文件系统的共性，屏蔽具体文件系统的差异。VFS既是向下的接口（所有文件系统都必须实现该接口），同时也是向上的接口（用户进程通过系统调用最终能够访问文件系统功能）。
下面我们来看下，vfs中几个比较重要的结构体对象：

2.1 file_system_type

这个结构来描述一种文件系统类型，一般具体文件系统会定义这个结构，然后注册到系统中；定义了具体文件系统的挂载和卸载方法，文件系统挂载时调用其挂载方法构建超级块、跟dentry等实例。
文件系统分为以下几种：
1）磁盘文件系统
文件在非易失性存储介质上(如硬盘，flash)，掉电文件不丢失。
如ext2,ext4,xfs
2）内存文件系统
文件在内存上，掉电丢失。
如tmpfs
3）伪文件系统
是假的文件系统，是利用虚拟文件系统的接口（可以对用户可见如proc、sysfs,也可以对用户不可见内核可见如sockfs,bdev）。
如proc,sysfs,sockfs,bdev
4）网络文件系统
这种文件系统允许访问另一台计算机上的数据，该计算机通过网络连接到本地计算机。
如nfs文件系统
结构体定义源码路径：include/linux/fs.h 2226

2.2 super_block

超级块，用于描述块设备上的一个文件系统总体信息（如文件块大小，最大文件大小，文件系统魔数等），一个块设备上的文件系统可以被挂载多次，但是内存中只能有个super_block来描述（至少对于磁盘文件系统来说）。
结构体定义源码路径：include/linux/fs.h 1414

2.3 mount

挂载描述符，用于建立超级块和挂载点等之间的联系，描述文件系统的一次挂载，一个块设备上的文件系统可以被挂载多次，每次挂载内存中有一个mount对象描述。
结构体定义源码路径：fs/mount.h 39

2.4 inode

索引节点对象，描述磁盘上的一个文件元数据（文件属性、位置等），有些文件系统需要从块设备上读取磁盘上的索引节点,然后在内存中创建vfs的索引节点对象，一般在文件第一次打开时创建。
结构体定义源码路径：include/linux/fs.h 610

2.5 dentry

目录项对象，用于描述文件的层次结构，从而构建文件系统的目录树，文件系统将目录当作文件，目录的数据由目录项组成，而每个目录项存储一个目录或文件的名称和索引节点号等内容。每当进程访问一个目录项就会在内存中创建目录项对象（如ext2路径名查找中，通过查找父目录数据块的目录项，找到对应文件/目录的名称，获得inode号来找到对应inode）。
结构体定义源码路径：include/linux/dcache.h 90

2.6 file

文件对象，描述进程打开的文件，当进程打开文件时会创建文件对象加入到进程的文件打开表，通过文件描述符来索引文件对象，后面读写等操作都通过文件描述符进行（一个文件可以被多个进程打开，会由多个文件对象加入到各个进程的文件打开表，但是inode只有一个）。
结构体定义源码路径：include/linux/fs.h 915

3. 挂载总体流程

3.1系统调用处理

用户执行挂载是通过系统调用路径进入内核处理，拷贝用户空间传递参数到内核，挂载委托do_mount。
//fs/namespace.c
SYSCALL_DEFINE5(mount
参数：
dev_name 要挂载的块设备
dir_name 挂载点目录
type 文件系统类型名
flags 挂载标志
data 挂载选项
-> kernel_type = copy_mount_string(type); //拷贝文件系统类型名到内核空间
-> kernel_dev = copy_mount_string(dev_name) //拷贝块设备路径名到内核空间 -> options = copy_mount_options(data) //拷贝挂载选项到内核空间
-> do_mount(kernel_dev, dir_name, kernel_type, flags, options) //挂载委托do_mount