Linux 커널 및 Linux 파일 시스템 구현과 관련된 문제에 대한 24시간 학습

Linux의 사용과 사용자 공간 프로그램의 프로그래밍은 파일 시스템과 밀접한 관련이 있습니다. 파일 시스템의 개념은 이미 잘 알고 계실 것이므로 자세한 설명은 생략하겠습니다. 결국, 이러한 개념을 이해할 수 있는 한, 더 많은 것을 배우고 싶은 사람들은 항상 Baidu와 같은 검색 엔진을 통해 더 많은 정보를 얻을 수 있습니다. 이제 Linux의 가상 파일 시스템에 중점을 두겠습니다.

가상 파일 시스템은 다양한 파일 시스템을 지원하는 Linux의 중요한 기능 중 하나입니다. 파일 시스템의 구조는 아래 그림과 같습니다. [그림 원문 보기]

위 그림의 VFS(가상 파일 시스템)는 파일 시스템의 일반적인 표현을 저장하기 위해 데이터 구조를 사용합니다. 데이터 구조는 다음과 같습니다.

• 슈퍼 블록 구조: 설치된 파일 시스템과 관련된 정보를 저장합니다.

인덱스 노드 구조: 파일에 대한 정보를 저장합니다.

• 파일 구조: 프로세스에서 연 파일에 대한 정보를 저장합니다.

• 디렉토리 항목 구조: 경로 이름과 해당 경로 이름이 가리키는 파일에 대한 정보를 저장합니다.
리눅스 커널은 앞에서 언급한 구조에 대한 포인터를 저장하기 위해 전역 변수를 사용합니다. 모든 구조는 이중 연결 목록에 저장됩니다. 커널은 포인터를 연결 목록의 헤드에 저장하고 이를 연결 목록의 액세스 지점으로 사용합니다. 이러한 구조는 list_head 유형을 사용하며 이를 사용하여 연결 목록의 이전 요소를 가리킵니다. 다음 표는 커널이 저장하는 전역 변수와 이러한 변수가 가리키는 연결 목록의 유형입니다(VFS 관련 전역 변수). )

전역 변수구조 유형super_blocks슈퍼블럭파일_시스템_유형치과vfs마운트inodeinode

	파일 시스템
	dentry_unused
	vfsmntlist
	inode_in_use
	inode_unused
	Super_block, file_system_type, dentry 및 vfsmoubt 구조는 모두 자체 연결 목록에 저장됩니다. 인덱스 노드는 전역 inode_in_use 또는 inode_unused 또는 해당 초고속 로컬 연결 목록에서 찾을 수 있습니다. 기본 VFS 구조 외에도 VFS, fs_struct 및 files_struct, 네임스페이스, fd_set와 상호 작용하는 여러 다른 구조가 있습니다. 아래 그림에서는 프로세스 설명자가 파일 관련 구조와 연결되는 방식을 설명합니다. 먼저 fs_struct 구조를 소개하겠습니다. fs_struct 구조는 여러 프로세스 설명자에서 참조할 수 있습니다. 다음 코드는 include/Linux/fs_struct.h에서 찾을 수 있습니다. 조언 으아아아 files_struct에는 열려 있는 파일과 설명자에 대한 정보가 포함되어 있으며 이러한 컬렉션을 사용하여 설명자를 그룹화합니다. 다음 코드는 include/linux/file.h 에서 볼 수 있습니다. 으아아아 INIT_FILES 매크로를 통해 fs_struct 구조를 초기화합니다. 으아아아 NR_OPEN_DEFAULT의 전역 정의는 BITS_PER_LONG으로 설정되며, 이는 32비트 시스템에서는 32이고 64비트 시스템에서는 64입니다. 이제 페이지 버퍼링이 어떻게 작동하고 구현되는지 살펴보겠습니다. Linux에서 메모리는 여러 파티션으로 나누어지며, 각 파티션에는 활성 페이지의 연결 목록과 비활성 연결 목록이 있습니다. 다음 그림은 위의 관계를 보여줍니다. image-20240202221039708 페이지 버퍼링의 핵심은 address_space 객체이며 해당 코드는 include/linux/fs.h에서 볼 수 있습니다. (이 코드를 잘 이해하지 못하니 조언을 부탁드립니다.) 으아아아 리눅스 커널은 블록 장치의 각 섹터를 buffer_head 구조로 표현합니다. buffer_head 구조에서 사용하는 물리적 영역은 b_dev 장치의 논리 블록 b_blocknr입니다. 참조되는 물리적 메모리는 b_size의 블록 크기부터 시작하는 b_data 메모리 데이터입니다. bytes.block, 이 메모리 블록은 물리적 페이지 b_page에 있으며 그 구조는 다음과 같습니다. 마지막으로 VFS 시스템 호출 및 파일 시스템 계층에 대해 이야기하고 커널 수준까지 실행을 추적하겠습니다. 먼저 open(), close(), read() 및 write()의 네 가지 기능을 이해해야 합니다. open() 함수: open 기능은 파일을 열고 생성하는 데 사용됩니다. 다음은 오픈 기능에 대한 간략한 설명입니다 으아아아 반환 값 : 성공하면 파일 설명자를 반환하고, 그렇지 않으면 -1을 반환합니다 open 함수의 경우 세 번째 매개변수(...)는 새 파일을 생성할 때만 사용되며 파일의 액세스 권한 비트를 지정하는 데 사용됩니다. pathname은 열거나 생성할 파일의 경로 이름입니다(예: C:/cpp/a.cpp). oflag는 파일의 열기/생성 모드를 지정하는 데 사용됩니다(정의됨). fcntl.h에서) 논리적 OR을 통해. O_RDONLY 읽기 전용 모드 O_WRONLY 쓰기 전용 모드 O_RDWR 읽기 및 쓰기 모드 파일 열기/생성 시 위의 세 가지 상수 중 하나 이상을 사용해야 합니다. 다음 상수는 선택 사항입니다. O_APPEND 각 쓰기 작업은 파일 끝에 기록됩니다 O_CREAT 지정한 파일이 없으면 이 파일을 생성하세요 O_EXCL 생성할 파일이 이미 존재하는 경우 -1을 반환하고 errno 값을 수정합니다. O_TRUNC 파일이 존재하고 쓰기 전용/읽기-쓰기 모드로 열린 경우 파일 내용 전체를 지웁니다 O_NOCTTY 경로명이 터미널 장치를 가리키는 경우 이 장치를 제어 터미널로 사용하지 마세요. O_NONBLOCK 경로명이 FIFO/블록 파일/문자 파일을 가리키는 경우 파일 열기 및 후속 I/O를 비차단 모드(비차단 모드)로 설정합니다 다음 세 가지 상수도 선택되었으며 입력과 출력을 동기화하는 데 사용됩니다 O_DSYNC는 쓰기 전에 물리적 I/O가 완료될 때까지 기다립니다. 새로 작성된 데이터를 읽는 데 영향을 주지 않고 파일 속성 업데이트를 기다리지 마십시오. O_RSYNC 읽기는 진행하기 전에 동일한 영역에 대한 모든 쓰기 작업이 완료될 때까지 기다립니다 O_SYNC는 파일 속성을 업데이트하는 I/O를 포함하여 쓰기 전에 물리적 I/O가 끝날 때까지 기다립니다 open에서 반환된 파일 설명자는 사용되지 않은 가장 작은 설명자여야 합니다. NAME_MAX인 경우(파일 이름의 최대 길이, ' 제외) POSIX.1 引入常量 _POSIX_NO_TRUNC 用于决定是否截断长文件名/长路径名。如果_POSIX_NO_TRUNC 设定为禁止截断，并且路径名长度超过 PATH_MAX（包括 ‘\0’），或者组成路径名的任意文件名长度超过 NAME_MAX，则返回错误信息，并且把 errno 置为 ENAMETOOLONG。 close()函数 进程使用完文件后，发出close()系统调用： sysopsis #include  int close(int fd); 参数：fd文件描述符 函数返回值：0成功，-1出错 参数fd是要关闭的文件描述符。需要说明的是：当一个进程终止时，内核对该进程所有尚未关闭的文件描述符调用close关闭，所以即使用户程序不调用close，在终止时内核也会自动关闭它打开的所有文件。但是对于一个长年累月运行的程序（比如网络服务器），打开的文件描述符一定要记得关闭，否则随着打开的文件越来越多，会占用大量文件描述符和系统资源。 read()函数 当用户级别程序调用read()函数时，Linux把它转换成系统调sys_read()： 功能描述：从文件读取数据。 所需头文件： #include 函数原型：ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count); 参数： fd： 将要读取数据的文件描述词。 buf：指缓冲区，即读取的数据会被放到这个缓冲区中去。 count：表示调用一次read操作，应该读多少数量的字符。 返回值：返回所读取的字节数；0（读到EOF）；-1（出错）。 以下几种情况会导致读取到的字节数小于 count ： 读取普通文件时，读到文件末尾还不够 count 字节。例：如果文件只有 30 字节，而我们想读取 100，字节，那么实际读到的只有 30 字节， 函数返回 30 。此时再使用 read 函数作用于这个文件会导致 read 返回 0 从终端设备（terminal device）读取时，一般情况下每次只能读取一行。 从网络读取时，网络缓存可能导致读取的字节数小于 count字节。 读取 pipe 或者 FIFO 时，pipe 或 FIFO 里的字节数可能小于 count 。 从面向记录（record-oriented）的设备读取时，某些面向记录的设备（如磁带）每次最多只能返回一个记录。 在读取了部分数据时被信号中断，读操作始于 cfo 。在成功返回之前，cfo 增加，增量为实际读取到的字节数。 例程如下(程序是网上找的例子，贴下来以以供大家理解一下):： #include  #include  #include  #include  #include  #include  int main(void) {     void* buf ;     int handle;     int bytes ;     buf=malloc(10);     /*     LooksforafileinthecurrentdirectorynamedTEST.$$$andattempts     toread10bytesfromit.Tousethisexampleyoushouldcreatethe     fileTEST.$$$     */     handle=open("TEST.$$$",O_RDONLY|O_BINARY,S_IWRITE|S_IREAD);     if(handle==-1)     {         printf("ErrorOpeningFile\n");         exit(1);     }     bytes=read(handle,buf,10);     if(bytes==-1)     {         printf("ReadFailed.\n");         exit(1);     }     else      {         printf("Read:%dbytesread.\n",bytes);     }     return0 ; } write()函数 功能描述：向文件写入数据。 所需头文件： #include 函数原型：ssize_t write(int fd, void *buf, size_t count); 返回值：写入文件的字节数（成功）；-1（出错） 功能：write 函数向 filedes 中写入 count 字节数据，数据来源为 buf 。返回值一般总是等于 count，否则就是出错了。常见的出错原因是磁盘空间满了或者超过了文件大小限制。对于普通文件，写操作始于 cfo 。如果打开文件时使用了 O_APPEND，则每次写操作都将数据写入文件末尾。成功写入后，cfo 增加，增量为实际写入的字节数。 例程如下(程序是网上找的例子，贴下来以以供大家理解一下): #include  #include  #include  #include  #include  #include  int main(void) { int *handle; char string[40]; int length, res;/* Create a file named "TEST.$$$" in the current directory and write a string to it. If "TEST.$$$" already exists, it will be overwritten. */ if ((handle = open("TEST.$$$", O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IREAD | S_IWRITE)) == -1) { printf("Error opening file.\n"); exit(1); } strcpy(string, "Hello, world!\n"); length = strlen(string); if ((res = write(handle, string, length)) != length) { printf("Error writing to the file.\n"); exit(1); } printf("Wrote %d bytes to the file.\n", res); close(handle); return 0; } 小结 今天看的代码不多，差不多都是网上找的代码，有些解释也是查阅资料写上去的，有些还是不懂，希望各路大神指教，这里我总结了有关Linux文件系统实现的问题，但是具体的细节方面并没有提及到，大家看了之后应该只能有一个大致的最Linux文件系统的了解，有读者问我看的是哪些书，这里我说明一下，看了Linux内核编程，还有深入理解Linux内核以及网上各种资料或者其他大牛写的好的博客。这里我是总结了一下，并且把自己不懂的还有觉得重要的说了一下，希望各位大神给些建议，thanks~

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