Linux 仮想ファイルシステム (VFS) の関係を示す図

皆さんこんにちは。今日は Linux の仮想ファイルシステムについて説明します。仮想ファイルシステムは、私がずっと話したいと思っていた知識ポイントです。 Linux 開発に関連する作業に従事したい場合は、仮想ファイルシステムを理解する必要があります。

1. 仮想ファイルシステムとは何ですか?

Linux 仮想ファイルシステム (VFS) は、Linux オペレーティングシステムの重要なコンポーネントです。ユーザーとアプリケーションがさまざまな種類のファイルシステムに同じ方法でアクセスできるようにする統合インターフェイスを提供します。

写真

VFS の設計目標は、さまざまな種類のファイルシステムを統一されたインターフェイスに抽象化して、ユーザーとアプリケーションが基盤となるファイルシステムの特定の実装の詳細を気にする必要がないようにすることです。 VFS を使用すると、ユーザーは同じシステムコール (open、read、write など) を使用して、ローカルファイルシステム (ext4、XFS など)、ネットワークファイルシステム (NFS、CIFS など)、仮想ファイルシステム (procfs、sysfs など) を含むさまざまな種類のファイルシステムにアクセスできます。

VFS は次の主要コンポーネントで構成されています。

仮想ファイルシステムインターフェイス: VFS は、共通のファイルシステム操作インターフェイスのセットを定義します。
スーパーブロック: 各ファイルシステムにはスーパーブロックがあり、ファイルシステムの種類、ブロックサイズ、inode テーブルなどのファイルシステムのメタデータ情報が含まれています。スーパーブロックは、ファイルシステムの全体的な説明と管理を提供します。
Dentry: Dentry はディレクトリエントリの略語で、ファイルシステム内のディレクトリとファイルを表すために使用されます。 Dentry には、ディレクトリとファイルに対応する inode ポインタが含まれており、これを使用してディレクトリの下のファイルまたはサブディレクトリをすばやく見つけることができます。
ファイルノード (inode): inode は、ファイルサイズ、権限、所有者などのファイルまたはディレクトリのメタデータ情報を格納するために使用されるファイルシステム内のデータ構造です。各ファイルまたはディレクトリは、一意の inode に対応します。
ファイルオブジェクト (ファイル): ファイルは、開いているファイルを表すデータ構造です。対応する inode ポインタ、現在の読み取りおよび書き込み位置などの情報が含まれます。ファイルの読み取りおよび書き込み操作は、ファイルを通じて実行できます。

2. Linuxシステムファイルツリー

一般的な Linux ユーザーや運用保守担当者にとって、Linux システムのファイルツリーは通常、ルートファイルシステムのルートディレクトリから始まり、ルートディレクトリを介してファイルツリー全体をトラバースすると、次の図のようになります。

写真

システム開発者の視点から見ると、Linux システムのファイルツリーは、各ファイルとディレクトリが dentry 構造に対応する構造になります。

写真

デントリーとはいったい何でしょうか?

dentry 構造の主な機能は、ファイルシステム階層の表現を提供することです。ツリー構造を形成することでディレクトリとファイルを整理します。各 dentry には一意のパス名があり、dentry ツリーをトラバースすることで特定のファイルまたはディレクトリを見つけることができます。

構造体dentry構造の定義:

 struct dentry { struct dentry *d_parent; struct qstr d_name; struct inode *d_inode; const struct dentry_operations *d_op; struct super_block *d_sb; struct list_head d_child; struct list_head d_subdirs; .... };

struct dentry 構造は、d_parent、d_child、d_subdirs などのメンバーを通じてファイルシステムをファイルツリーに編成します。 Linux ファイルシステムを理解するには、dentry の使い方を学ぶ必要があります。

セクション: Dentry は VFS の重要な部分です。 VFS を理解するには、まず dentry から始めます。

3. ファイルシステムの登録

これまでの研究を通じて、歯槽骨構造の重要性がわかってきました。次に、dentry 構造を中心としたファイル VFS のさまざまなコンポーネント間の関係を分析します。まず全体的なアーキテクチャ図を見てみましょう。

写真

Linux ファイルシステムは、file_system_type 構造オブジェクトに対応します。 file_system_type 構造体は次のように定義されます。

 struct file_system_type { const char *name; int fs_flags; int (*init_fs_context)(struct fs_context *); const struct fs_parameter_spec *parameters; struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int, const char *, void *); void (*kill_sb) (struct super_block *); ...... };

ramfs ファイルシステムは次のように定義されます。名前はファイルシステムの種類を示します。 ramfs ファイルシステムをインスタンス化する必要がある場合は、グローバルファイルシステムリストヘッダーから名前で対応する登録済みファイルシステムを見つけ、登録済みファイルシステムからスーパーブロックを作成する必要があります。

 static struct file_system_type ramfs_fs_type = { .name = "ramfs", .init_fs_context = ramfs_init_fs_context, .parameters = ramfs_fs_parameters, .kill_sb = ramfs_kill_sb, .fs_flags = FS_USERNS_MOUNT, };

ファイルシステムを定義した後、register_filesystem 関数を使用してファイルシステムを Linux システムに登録します。正常に登録されたファイルシステムは、グローバルファイルシステムリストに挿入されます。登録されたファイルシステムを使用してスーパーブロックを作成できます。

cat /proc/filesystems でシステムに登録されているすべてのファイルシステムを表示します。

写真

4. ファイルシステムのマウント

ファイルシステムのマウントとは、新しいファイルシステムがマウントインスタンス (struct mount) を生成し、新しいマウントインスタンスと親ファイルシステムのマウントインスタンスの間に親子関係を確立することを意味します。

新しいマウントインスタンスは、いくつかの重要な部分で構成されます。

スーパーブロック (super_block)

スーパーブロックは、新しいファイルシステムに対応するデバイスを示すために使用されます。

親マウントインスタンス（マウント）

親マウントインスタンスは、マウントポイントが配置されているファイルシステムマウントインスタンスを示します。

マウントポイント

マウントポイントは、新しいファイルシステムと親ファイルシステム間のリンクです。

ファイルシステムのルートディレクトリ (dentry)

各ファイルシステムにはルートディレクトリがあります。ファイルパスを新しいファイルシステムにインデックスする場合、インデックス作成は新しいファイルシステムのルートディレクトリから開始されます。

4.1 インデックスマウントポイント

マウントポイントをインデックスする目的は、マウントポイントの構造体パスレコード情報を取得することです。マウントポイントのインデックス作成プロセスは、構造体パスレコード情報を継続的に置き換えるプロセスです。

写真

マウントポイント /mnt/test/dir を例に挙げます。

/ ディレクトリをインデックスし、/ ディレクトリのパスレコード情報を取得します。
mnt ディレクトリをインデックスし、mnt ディレクトリのパスレコード情報を取得し、/ ディレクトリのパスレコード情報を上書きします。
テストディレクトリをインデックスし、テストディレクトリのパスレコード情報を取得し、mnt ディレクトリのパスレコード情報を上書きします。
dir ディレクトリをインデックスし、dir ディレクトリのパスレコード情報を取得し、test ディレクトリのパスレコード情報を上書きします。
最後に、マウントポイント dir の struct パスレコード情報が取得されます。

struct パス構造は次のように定義されます。

 struct path { struct vfsmount *mnt; struct dentry *dentry; };

mnt: マウントポイントが配置されているファイルシステムのマウントインスタンスを記録します。

dentry: マウントポイントディレクトリ dentry。

4.2 新しいファイルシステムマウントインスタンスを作成する

スーパーブロックの作成

スーパーブロックを作成するには、まずファイルシステムの種類を知っておく必要があります。 mount コマンドは、-t パラメータを使用してファイルシステムの種類を指定します。 mount コマンドによって渡されたファイルシステムタイプを使用して、グローバルファイルシステムリストを走査し、登録されているファイルシステムを見つけ、登録されているファイルシステムを通じてスーパーブロックを作成できます。