为Linux内核开发一个文件系统（1）—— 设计一个新的文件系统

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前注： 一直以来对Linux中文件系统这一块似懂非懂， 前段时间从网上下到看到Steve D. Pate所著《Unix Filesystems: Evolution, Design, and Implementation》一书的电子版，个人感觉其中最后一章Developing a Filesystem for Linux Kernel作者通过自己为linux内核开发一个小型的文件系统uxfs，并且加以实际编译、运行调试，对于我们理解在Linux中文件系统颇为有益。因此，想来自己将这一章翻译过来，当然也仅是为学习交流之用。

为Linux内核开发一个文件系统

尽管在本书当中已经有很多的编程实例，但并没有看到一个文件系统实际上是如何工作的。即便通过内核是如何响应不同的文件和文件系统相关系统调用，我们也难以理解其整个工作流程。同时我们也很难理解文件系统接口是如何与内核的其它部分交互的，另外它又是如何管理其内部的数据结构的。

本章将提供一个针对linux的非常简单但完全能工作的文件系统——uxfs。然而uxfs文件系统还是不完善的。它提供了足够的接口与特性让我们来创建一个层次结构目录树，创建普通文件和读写普通文件。另外也提供有一个mkfs命令和一简单的fsdb命令。该文件系统中仍旧存在一些缺陷，本章末尾的练习将提供给读者方法去实验，修正存在的一些缺陷和添加新的功能。

本章提供读者所有必备的工具去针对一个实际的文件系统做实验。包括指导如何下载和编译linux内核源代码以及如何编译和加载文件系统模块。同时也详细地讲解了如何通过printk()语句、kdb和gdb调试器来调试和分析内核与文件系统之间的流程交互。该文件系统布局足够小以致于它可以做到一张软盘上，这也使那些经验不足的linux用户避免了做分区或对磁盘进行重分区的工作。

本章的后面包含了uxfs文件系统的所有源代码，它能够在标准的2.4.18内核编译且运行通过。不幸的是，linux内核更新速度之快，使其难以同步更新。为解决这个问题，下面的网站：

www.wiley.com/compbooks/pate

包含了针对更新的linux内核的uxfs源代码。另外，上面也说明了在标准的Linux发行版上如何构建uxfs文件系统。这也为那些并不想下载和编译内核源代码的读者提供了便利，使得他们有机会很容易地去编译和加载文件系统并且进行实验。按照下面的方法，下载源代码、编译和加载模块总共花费的时间应该不超过5至10分钟。

 

设计一个新的文件系统

设计本文件系统的目标在于尽量让它简单。即使是在面对一些小型的文件系统，新手们也往往要花大量的时间来理解它们是如何工作的。因此，对于uxfs文件系统来说，精简是最关键的，其中仅包括绝对必要的代码。Uxfs支持层次式名称空间（目录树）以及可以创建和读写文件。而有些操作如重命令和建立符号连接，则故意留出来没有实现，一方面可以减少源代码量，另一方面也好让读者来实现加以练习。

尽管uxfs文件系统完全可以运行，但关注学习文件系统细节的读者会发现其中仍旧存在着很多的缺陷。Uxfs文件系统的布局如图14.1所示，其主要的设计要点如下：

        本文件系统拥有512B的块大小，它由ux_fs.h头文件中的UX_BSIZE定义的。
       除去超级块和i节点占用的空间，文件系统中有固定数目的磁盘块，由UX_MAXBLOCKS来定义的。
        其中仅有32个i节点（UX_MAXFILES），其中i节点0和1保留未使用，i节点2用于根目录，另外i节点3则用于lost+found目录，因此只剩下28个i节点用于用户文件和目录。
        超级块是存放在磁盘块0处，它占用一个磁盘块。超级块中包括两个数组，其中一个用于i节点以记录一个i节点是否已经被占用；同样另外一数组则用于数据块以记录数据块是否已经被占用。另外，超级块也包含有属性字段来记录空闲的i节点和数据块的数目。
       每个i节点占用一个磁盘块。第一个i节点存放在磁盘块8中，由于i节点0和1未使用，因此根目录i节点存放于磁盘块10中，而lost+found目录i节点则存在于磁盘块11中。其它的i节点则存放于磁盘块12到39中。
        第一个数据块存放在磁盘块33中（注：个人认为此处有误，应为磁盘块50），一旦文件系统创建好，磁盘块50用于存放根目录中的目录项；而磁盘块51则用于存放lost+found目录中的目录项。
        每个i节点最多只有9个直接数据块，这也就限制了文件的最大容量为：(9*512)=4608字节。
        每个目录项是固定大小，其中存放有28字节长的文件名和该文件对应的i节点号，因此每个目录项大小是32B。



图14.1 uxfs文件系统磁盘布局

我们设计一个文件系统，接下来要做的工作就是确定要提供哪些内核接口支持。除读写普通文件和创建删除目录外，你必须确定是否要支持硬连接、符号连接和重命名等。做出决定之前，必须清楚由文件系统可以导出的各种操作。文件系统必须导出支持的四个向量分别是super_operation、file_operations、address_space_operations和inode_operations。除确定有哪些函数要提供直接支持外，我们可能直接调用几个generic函数而不需要提供uxfs的具体函数。这样也就极大地减轻了我们创建一个文件系统的工作量。