Linux 式套娃，把“文件系统”安装在一个“文件”上？

背景

“文件”在文件系统之中，这是人人理解的概念。但“文件”之上还有一个文件系统？那岂不是成套娃了。但这个其实是可以的。这个就涉及到今天我们要讲的 loop 设备。

很多童鞋在学习 Linux 的文件系统时，涉及到对磁盘设备的格式化，挂载等操作，但苦于没有一个真实的硬盘，一时不知道如何实践。这种时候就可以使用一个文件来模拟块设备。这就是 loop 设备的作用。我们借助 loop 设备，可以让一个文件被当做一个块设备来访问。

举个例子，我们在 ext4 的文件系统目录下创建了一个 minix_test.img 文件，把它当作一个块设备，在上面格式化 minix 的文件系统，并挂载到 /mnt/minix 上。示意图如下：

这种方式有两个很明显好处：

不需要真实的硬盘，就可以格式化、挂载、测试文件系统。

可以近距离的观察文件系统对块设备的使用，比如如何划分 inode 区域、数据区域、位图区域等。这些都将反馈到文件上。

如何使用 loop 设备？

接下来看下如何使用 loop 设备。我们将会用一个普通文件上格式化成 minix 文件系统，然后挂载到 Linux 目录树上。我们使用 loop 设备有两种方式：

1. 一种是直接 mount 带上 -o loop 的参数。这种省去了显式创建 loop 设备的过程，步骤简单。
2. 另一种方式是先显式的创建 loop 设备，该 loop 设备绑定一个文件，并提供了块设备的对外接口。我们就可以把这个 loop 设备当作一个普通的块设备文件，进行格式化，然后挂载到目录上。

方式一：mount -o loop

用 mount 挂载文件系统的时候，指定某个文件以 loop 设备的方式进行挂载。具体操作如下：

首先，我们创建一个 1GiB 的文件：

dd if=/dev/zero of=./minix_test.img bs=1M count=1024

然后，我们在这个文件上进行 minix 文件系统的格式化：

mkfs.minix ./minix_test.img

最后，我们用 loop 设备的方式进行挂载：

mount -o loop ./minix_test.img /mnt/minix/

这样挂载成功之后，就可以在 /mnt/minix 下进行操作了。该目录挂载的是 minix 类型的文件系统。minix 文件系统是一个磁盘类型的文件系统，它的数据是会写到磁盘进行持久化。所以，我们在这个 /mnt/minix 目录下做的任何操作，这些都会反映到 ./minix_test.img 这个文件上。这个文件就像磁盘一样，在这个上面承载了一个文件系统的数据。

可以尝试在 /mnt/minix 目录下创建一个文件，然后用 hexdump 工具查看 minix_test.img 的内容变化。如下：

# 在 minix 文件系统之上创建一个文件，并写入一个字符串
echo "hello world" >> /mnt/minix/hello.txt

# 查看 minix_test.img 的内容
hexdump -C ./minix_test.img

如果你对 minix 文件系统的分区熟悉的话，就可以明显看到 minix 是如何在 minix_test.img 文件上划分的 inode 区域、数据区域、位图区域等。

方式二：先创建 loop 设备，再挂载使用

这种方式稍微步骤多一点，但其实更容易让人理解其中原理。实际的效果和方式一是等价的。我们可以使用 losetup 命令来管理 loop 设备。

首先，我们创建一个 1GiB 的文件：

dd if=/dev/zero of=./minix_test.img bs=1M count=1024

然后，我们在这个文件上进行 minix 文件系统的格式化：

mkfs.minix ./minix_test.img

再然后，创建和使用 loop 设备：

# 方式一：假定 /dev/loop5 是空闲可用的 loop 设备，下面把 /dev/loop5 和 minix_test.img 关联起来
losetup /dev/loop5 ./minix_test.img

# 方式二：可以简单一点，让 losetup 命令自动找到一个空闲的 loop 设备，然后进行关联
losetup --find --show ./minix_test.img

创建完 loop 设备之后，可以用 losetup 命令列举当前所有的 loop 设备，和它们关联的文件。

最后，把 loop 设备挂载到目录上：

# 假设上一个步骤创建的是 /dev/loop5 
mount /dev/loop5 /mnt/minix

这种方式挂载的文件系统和方式一本质上是一样的。

mount 和 losetup 等命令的源代码都在 util-linux 开源库中，感兴趣的童鞋们可以自行查看。

什么是 loop 设备？

本质上来讲，loop 设备是块设备的一种特殊的驱动实现。接下来我们来简单看下 loop 设备的基本原理。

loop 设备的原理

loop 就是一种特殊的块设备驱动。loop 设备是一种 Linux 虚拟的伪设备，它和真实的块设备不同，它并不代表一种特定的硬件设备，而仅仅是满足 Linux 块设备接口的一个虚拟设备。它的作用就是把一个文件模拟成一个块设备。

loop 设备它是怎么模拟的块设备？

loop 设备的代码位于 Linux 的 drivers/block/loop.c 中。在这个文件中，它定义了块设备驱动的接口。

块设备驱动的编程范式：

1. 首先，要分配并初始化一个 gendisk 结构体，这是内核代表块设备的核心结构体。它包含了与磁盘相关的信息，loop 设备作为一种特殊的块设备驱动，这个自然是不能少的。
2. 然后，初始化一个请求队列。块设备使用请求队列来管理对设备的 I/O 请求。文件系统调用 submit_bio 的调用时，最终就是把请求投递到驱动的队列中。
3. 然后，请求处理函数。这个很容易理解，队列里的请求总是要处理的，每个块设备驱动都可以自定义处理方式。
4. 最后，块设备操作表（block_device_operations），这个将包含对设备的操作方法，比如打开，读写控制等。

loop 设备如何关联到后端“文件” ？

用户态的处理（ losetup 或 mount ）

• 打开后端“文件”，拿到文件描述符。
• 打开 loop 设备文件，拿到 loop 设备的描述符。
• 调用 ioctl 把这两个关联起来ioctl(dev_fd, LOOP_CONFIGURE, &lc->config)

内核的处理

• ioctl 的系统调用对应调用 loop 中的 lo_ioctl 函数。

对应了 block_device_operations 的 ioctl 方法。

• 当设置参数为 LOOP_CONFIGURE 的时候，会调用 loop_configure 来分配和初始化 loop 设备。
• loop_configure

• 获取到后端“文件”的句柄，也就是 struct file* 结构。获取到之后，会做一些校验工作。然后初始化 loop 设备相关的结构体，队列等。

• 最关键的当然还是把 loop 设备和后端“文件”的句柄关联起来：lo->lo_backing_file = file; 这样的话，等到读写 loop 设备的时候，就可以把请求转发过去。

loop 设备的请求来自于哪里？

loop 设备它对外就是一个块设备，如果在这个之上创建了文件系统，并被当作块设备挂载到目录上之后，那么它的请求来自于它之上的文件系统。

文件系统调用 submit_bio ，把请求投递到块层的队列中。每一个块层的设备它都需要实现一个入队的处理，以供 submit_bio 的流程中调用。

static const struct blk_mq_ops loop_mq_ops = {
   .queue_rq       = loop_queue_rq,
   .complete = lo_complete_rq,
};

loop 设备实现的入队方法就是 loop_queue_rq 。文件系统调用 submit_bio 之后最终就会调用到 loop_queue_rq 这个函数。

> loop_queue_rq
    > loop_queue_work

loop_queue_work 函数会把请求放到一个 lo->workqueue 队列中，每一个 loop 设备都对应有这么一个队列。在创建设备文件的时候会同步生成。

loop 设备如何把请求传递给后端文件？

loop 设备还有一个名为 loop_workfn 的函数，是专门用来处理投递到该设备的请求。

> loop_workfn
    > loop_handle_cmd
        > do_req_filebacked

在 do_req_filebacked 函数中，会按照不同的命令类型来处理请求，比如，写请求会调用 lo_write_simple ，读请求会调用 lo_read_simple 等。

在这个 lo_write_simple  函数中，就会调用 lo_write_bvec ，把写请求写入关联的“文件”中。

static int lo_write_simple(struct loop_device *lo, struct request *rq,
  loff_t pos)
{
    // lo_backing_file 代表当前 loop 设备关联的文件
    ret = lo_write_bvec(lo->lo_backing_file, &bvec, &pos);
}

在 lo_write_bvec 中，调用的是 vfs_iter_write 函数来进行写入。这个函数其实是 VFS 层的一个封装函数，所以相当于就是从顶层调用后端文件的写操作。

在 lo_write_bvec 中，最关键的是 lo->lo_backing_file 这个文件句柄的获取。它的类型是 struct file* ，代表了一个内核打开的文件。即该 loop 设备关联的文件。它的赋值就是在 loop 设备创建的时候。

Linux 套娃之后，I/O 链路是什么样的？

现在来看下，当我们使用 loop 设备，来挂载一个 minix 文件系统，它的 I/O 路径又会是怎么样的呢？

假定创建的 minix_test.img 位于一个 ext4 文件系统。

应用程序 -> 系统调用 -> vfs -> minix 文件系统 -> 块层 -> loop 设备 -> 绑定的文件 ->  vfs -> ext4 -> ...

示意图如下：

loop 设备的典型应用有哪些？

其实，loop 设备在很多场景下我们都用过。以下是比较典型的例子：

• 系统模拟和测试：可以使用 loop 设备来模拟不同的存储配置，无需使用物理硬件，就可以进行软件测试或系统配置实验。
• 文件系统开发：开发者可以使用 loop 设备来挂载文件系统，从而方便地测试和调试新的文件系统。
• ISO 映像挂载：Loop 设备还常用于挂载 ISO 文件，无需刻录到物理介质上，使其内容可直接访问。
• 加密磁盘：loop 设备还能和一些加密技术（如dm-crypt）结合，因为 loop 设备可以绑定几乎任意类型的文件，这就给了人们无限的想象空间。我们可以创建一个加密的磁盘镜像，增强数据安全。

其实，Linux 的套娃还远不止这些。举个例子，loop 设备绑定的文件，它可能也是抽象出来的一个文件，比如是一个网络文件系统抽象出来的文件。那这条 I/O 链路就更长了。只要你敢想，在 Linux 中，存在无限套娃的可能。

总结

• 没有磁盘也想玩磁盘类文件系统？可以，用 loop 设备。只要你有文件，Linux 的 loop 设备都可以把文件变成一个“块设备”。
• loop 设备就是一种特殊的块设备驱动。
• 文件之上的的文件系统的增、删、改、查的 I/O 请求，它都将落到文件上。这个可以让我们近距离的观察到文件系统是如何管理磁盘的。
• hexdump 是个好工具，可以用来查看文件上的二进制内容。

来源：奇伢云存储