Linux内核笔记九 VFS虚拟文件系统

目的
了解虚拟文件系统，解读代码
数字虚拟文件系统与底层驱动的关系
熟悉会用软件的分层设计方法

1、VFS虚拟文件系统 FS文件系统
文件有多种类型
b c p s l - d
linux为了操作简单 、接口集中化。

软件的分层设计方法

没有分层

有分层
这个接口层叫VFS
把设备虚拟成文件

file_dev.c
文件读函数，读指定的inode节点的文件
读文件的文件结构 file

file结构体
f_mode 文件的属性
f_flags 文件的打开方式
f_count 文件的引用个数
f_inode 文件的inode节点
f_pos 本文件的当前读写位置

fd 文件句柄
file_table
file
inode
i_zone

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count)
{
	int left,chars,nr;
	struct buffer_head * bh;

	if ((left=count)<=0)
		return 0;
	while (left) {
		if (nr = bmap(inode,(filp->f_pos)/BLOCK_SIZE)) {
			if (!(bh=bread(inode->i_dev,nr)))
				break;
		} else
			bh = NULL;
		nr = filp->f_pos % BLOCK_SIZE;
		chars = MIN( BLOCK_SIZE-nr , left );   
		//比较当前块的剩余区域和文件要读取的剩余size
		filp->f_pos += chars;
		left -= chars;
		if (bh) {
			char * p = nr + bh->b_data;
			while (chars-->0)
				put_fs_byte(*(p++),buf++);
			brelse(bh);
		} else {
			while (chars-->0)
				put_fs_byte(0,buf++);
		}
	}
	inode->i_atime = CURRENT_TIME;
	return (count-left)?(count-left):-ERROR;
}

chars 当前要读取的长度
left 剩余读写长度
重要参数 file —f_ops 逻辑块号

1、根据文件inode来找到当前的文件读写位置的逻辑块号
2、取其逻辑块号的高速缓冲区
3、把逻辑块中的主句读到用户指定的buf中

普通文件的写函数

int file_write(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count)
{
	off_t pos;
	int block,c;
	struct buffer_head * bh;
	char * p;
	int i=0;

/*
 * ok, append may not work when many processes are writing at the same time
 * but so what. That way leads to madness anyway.
 */
	if (filp->f_flags & O_APPEND)
		pos = inode->i_size;
	else
		pos = filp->f_pos;
	while (i<count) {
		if (!(block = create_block(inode,pos/BLOCK_SIZE)))
			break;
		if (!(bh=bread(inode->i_dev,block)))
			break;
		c = pos % BLOCK_SIZE;
		p = c + bh->b_data;
		bh->b_dirt = 1;
		c = BLOCK_SIZE-c;
		if (c > count-i) c = count-i;
		//更新文件的读写指针
		pos += c;
		//如果当前的读写指针大于给定的文件大小，添加文件
		if (pos > inode->i_size) {
			//更新文件大小
			inode->i_size = pos;
			inode->i_dirt = 1;
		}
		i += c;
		//把当前用户空间的数据写入到高速缓冲区
		while (c-->0)
			*(p++) = get_fs_byte(buf++);
		brelse(bh);
	}
	//更新inode的创建时间
	inode->i_mtime = CURRENT_TIME;
	if (!(filp->f_flags & O_APPEND)) {
		filp->f_pos = pos;
		inode->i_ctime = CURRENT_TIME;
	}
	return (i?i:-1);
}

写也一样。

p 当前块内要读写的位置
c 当前块的剩余空间
i 已写入的字节大小

block_dev.c
两个函数
block_write
block_read

接口与接口之间通过链表实现。

block_dev.c 块号 和offset

pipe.c 内存 pipe缓冲区的指针 inode-i_size对应缓冲区指针 pipe的头 inode->i_zone[0]和 尾 inode->i_zone[0]

char_dev.c ：两个函数
rw_tty
控制台终端读写函数
rw_ttyx
串口终端读写函数
rw_port
端口读函数

crw_table检索数组是rw_char

static crw_ptr crw_table[]={
	NULL,		/* nodev */
	rw_memory,	/* /dev/mem etc */
	NULL,		/* /dev/fd */
	NULL,		/* /dev/hd */
	rw_ttyx,	/* /dev/ttyx */
	rw_tty,		/* /dev/tty */
	NULL,		/* /dev/lp */
	NULL};		/* unnamed pipes */

整个read的流程
1、sys_call 软中断
2、中断前的准备
3、sys_table中找
4、字符型rw_char
5、在rw_table中寻找
6、调用找到的函数

sys_read

int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count)
{
	struct file * file;
	struct m_inode * inode;

	if (fd>=NR_OPEN || count<0 || !(file=current->filp[fd]))
		return -EINVAL;
	if (!count)
		return 0;
	verify_area(buf,count);  
	inode = file->f_inode;       //找到对应文件，拿到inode
	if (inode->i_pipe)
		return (file->f_mode&1)?read_pipe(inode,buf,count):-EIO;
	if (S_ISCHR(inode->i_mode))
		return rw_char(READ,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos);
	if (S_ISBLK(inode->i_mode))
		return block_read(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);
	if (S_ISDIR(inode->i_mode) || S_ISREG(inode->i_mode)) {
		if (count+file->f_pos > inode->i_size)
			count = inode->i_size - file->f_pos;
		if (count<=0)
			return 0;
		return file_read(inode,file,buf,count);
	}
	printk("(Read)inode->i_mode=%06o\n\r",inode->i_mode);
	return -EINVAL;
}

/*
 *  linux/fs/open.c
 *
 *  (C) 1991  Linus Torvalds
 */

#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <utime.h>
#include <sys/stat.h>

#include <linux/sched.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <asm/segment.h>

int sys_ustat(int dev, struct ustat * ubuf)
{
	return -ENOSYS;
}

int sys_utime(char * filename, struct utimbuf * times)    //修改当前用户时间
{
	struct m_inode * inode;
	long actime,modtime;

	if (!(inode=namei(filename)))
		return -ENOENT;
	if (times) {
		actime = get_fs_long((unsigned long *) &times->actime);
		modtime = get_fs_long((unsigned long *) &times->modtime);
	} else
		actime = modtime = CURRENT_TIME;
	inode->i_atime = actime;
	inode->i_mtime = modtime;
	inode->i_dirt = 1;
	iput(inode);
	return 0;
}

/*
 * XXX should we use the real or effective uid?  BSD uses the real uid,
 * so as to make this call useful to setuid programs.
 */
int sys_access(const char * filename,int mode)       //判断文件的使用权限
{
	struct m_inode * inode;
	int res, i_mode;

	mode &= 0007;
	if (!(inode=namei(filename)))
		return -EACCES;
	i_mode = res = inode->i_mode & 0777;
	iput(inode);
	if (current->uid == inode->i_uid)
		res >>= 6;
	else if (current->gid == inode->i_gid)
		res >>= 6;
	if ((res & 0007 & mode) == mode)
		return 0;
	/*
	 * XXX we are doing this test last because we really should be
	 * swapping the effective with the real user id (temporarily),
	 * and then calling suser() routine.  If we do call the
	 * suser() routine, it needs to be called last. 
	 */
	if ((!current->uid) &&
	    (!(mode & 1) || (i_mode & 0111)))
		return 0;
	return -EACCES;
}

int sys_chdir(const char * filename)          //改变当前
{
	struct m_inode * inode;

	if (!(inode = namei(filename)))
		return -ENOENT;
	if (!S_ISDIR(inode->i_mode)) {
		iput(inode);
		return -ENOTDIR;
	}
	iput(current->pwd);
	current->pwd = inode;
	return (0);
}

int sys_chroot(const char * filename)
{
	struct m_inode * inode;

	if (!(inode=namei(filename)))
		return -ENOENT;
	if (!S_ISDIR(inode->i_mode)) {
		iput(inode);
		return -ENOTDIR;
	}
	iput(current->root);
	current->root = inode;
	return (0);
}

int sys_chmod(const char * filename,int mode)
{
	struct m_inode * inode;

	if (!(inode=namei(filename)))
		return -ENOENT;
	if ((current->euid != inode->i_uid) && !suser()) {
		iput(inode);
		return -EACCES;
	}
	inode->i_mode = (mode & 07777) | (inode->i_mode & ~07777);
	inode->i_dirt = 1;
	iput(inode);
	return 0;
}

int sys_chown(const char * filename,int uid,int gid)
{
	struct m_inode * inode;

	if (!(inode=namei(filename)))
		return -ENOENT;
	if (!suser()) {
		iput(inode);
		return -EACCES;
	}
	inode->i_uid=uid;
	inode->i_gid=gid;
	inode->i_dirt=1;
	iput(inode);
	return 0;
}

int sys_open(const char * filename,int flag,int mode)
{
	struct m_inode * inode;
	struct file * f;
	int i,fd;

	mode &= 0777 & ~current->umask;
	for(fd=0 ; fd<NR_OPEN ; fd++)
		if (!current->filp[fd])
			break;
	if (fd>=NR_OPEN)
		return -EINVAL;
	current->close_on_exec &= ~(1<<fd);
	f=0+file_table;
	for (i=0 ; i<NR_FILE ; i++,f++)
		if (!f->f_count) break;
	if (i>=NR_FILE)
		return -EINVAL;
	(current->filp[fd]=f)->f_count++;
	if ((i=open_namei(filename,flag,mode,&inode))<0) {
		current->filp[fd]=NULL;
		f->f_count=0;
		return i;
	}
/* ttys are somewhat special (ttyxx major==4, tty major==5) */
	if (S_ISCHR(inode->i_mode))
		if (MAJOR(inode->i_zone[0])==4) {
			if (current->leader && current->tty<0) {
				current->tty = MINOR(inode->i_zone[0]);
				tty_table[current->tty].pgrp = current->pgrp;
			}
		} else if (MAJOR(inode->i_zone[0])==5)
			if (current->tty<0) {
				iput(inode);
				current->filp[fd]=NULL;
				f->f_count=0;
				return -EPERM;
			}
/* Likewise with block-devices: check for floppy_change */
	if (S_ISBLK(inode->i_mode))
		check_disk_change(inode->i_zone[0]);
	f->f_mode = inode->i_mode;
	f->f_flags = flag;
	f->f_count = 1;
	f->f_inode = inode;
	f->f_pos = 0;
	return (fd);
}

int sys_creat(const char * pathname, int mode)
{
	return sys_open(pathname, O_CREAT | O_TRUNC, mode);
}

int sys_close(unsigned int fd)
{	
	struct file * filp;

	if (fd >= NR_OPEN)
		return -EINVAL;
	current->close_on_exec &= ~(1<<fd);
	if (!(filp = current->filp[fd]))
		return -EINVAL;
	current->filp[fd] = NULL;
	if (filp->f_count == 0)
		panic("Close: file count is 0");
	if (--filp->f_count)
		return (0);
	iput(filp->f_inode);
	return (0);
}

sys_open

int sys_open(const char * filename,int flag,int mode)
{
	struct m_inode * inode;
	struct file * f;
	int i,fd;

	mode &= 0777 & ~current->umask;
	for(fd=0 ; fd<NR_OPEN ; fd++)
		if (!current->filp[fd])
			break;
	if (fd>=NR_OPEN)
		return -EINVAL;
	current->close_on_exec &= ~(1<<fd);
	f=0+file_table;
	for (i=0 ; i<NR_FILE ; i++,f++)
		if (!f->f_count) break;
	if (i>=NR_FILE)
		return -EINVAL;
	(current->filp[fd]=f)->f_count++;
	if ((i=open_namei(filename,flag,mode,&inode))<0) {
		current->filp[fd]=NULL;
		f->f_count=0;
		return i;
	}
/* ttys are somewhat special (ttyxx major==4, tty major==5) */
	if (S_ISCHR(inode->i_mode))
		if (MAJOR(inode->i_zone[0])==4) {
			if (current->leader && current->tty<0) {
				current->tty = MINOR(inode->i_zone[0]);
				tty_table[current->tty].pgrp = current->pgrp;
			}
		} else if (MAJOR(inode->i_zone[0])==5)
			if (current->tty<0) {
				iput(inode);
				current->filp[fd]=NULL;
				f->f_count=0;
				return -EPERM;
			}
/* Likewise with block-devices: check for floppy_change */
	if (S_ISBLK(inode->i_mode))
		check_disk_change(inode->i_zone[0]);
	f->f_mode = inode->i_mode;
	f->f_flags = flag;
	f->f_count = 1;
	f->f_inode = inode;
	f->f_pos = 0;
	return (fd);
}

fd—>current->filp[fd]

file_table系统文件表
1、在当前进程的文件索引表current_file->file[fd]
2、在系统的文件表中file_table[]找到一个空项
3、进行current_file->file[fd]与file_table[]的映射
4、调用了open_namei函数，创建了一个对应文件名的inode节点
5、进行file_table[n],inode=open_namei创建inode节点
6、返回文件句柄

最后有个exit.c
程序运行的流程：
1、执行对参数和环境参数的初始化操作
申请存储参数和环境变量的空闲内存空间
操作系统对参数进行检查：执行权限 文件类型 参数个数
2、根据文件的头部旧信息进行处理
文件的头部有该文件的大小
文件头部有该文件的执行程序还是shell脚本
文件头部有兼容性的幻数进行能够在操作系统版本上进行执行
3、对当前调用进程做新程序启动前的初始化
当前进程指向文件的inode节点
根据头部的idt进行设置参数和环境变量
修改进程的tss状态
4、设置堆栈上的原调用do_execve函数的返回值为新程序的入口地址，加载新程序

参考链接