Linux 0.1.1文件系统的源码阅读

Linux 0.11文件系统的源码阅读总结

1.minix文件系统

对于linux 0.11内核的文件系统的开发，Linus主要参考了Andrew S.Tanenbaum 所写的《MINIX操作系统设计与实现》，使用的是其中的1.0版本的MINIX文件系统。而高速缓冲区的工作原理参见M.J.Bach的《UNIX操作系统设计》第三章内容。

通过对源代码的分析，我们可以将minix文件系统分为四个部分，如下如1-1。

●高速缓冲区的管理程序。主要实现了对硬盘等块设备进行数据高速存取的函数。

●文件系统的底层通用函数。包括文件索引节点的管理、磁盘数据块的分配和释放

以及文件名与i节点的转换算法。

●有关对文件中的数据进行读写操作的函数。包括字符设备、块设备、管道、常规

文件的读写操作，由read_write.c函数进行总调度。

●涉及到文件的系统调用接口的实现，这里主要涉及文件的打开、关闭、创建以及

文件目录等系统调用，分布在namei和inode等文件中。

图1-1 文件系统四部分之间关系图

1.1超级块

首先我们了解一下MINIX文件系统的组成，主要包括六部分。对于一个360K软盘，其各部分的分布如下图1-2所示：

图 1-2 建有MINIX文件系统的一个360K软盘中文件系统各部分的布局示意图

注释1：硬盘的一个扇区是512B，而文件系统的数据块正好是两个扇区。

注释2：引导块是计算机自动加电启动时可由ROM BIOS自动读入得执行代码和数据。

注释3：逻辑块一般是数据块的2幂次方倍数。MINIX文件系统的逻辑块和数据块同等大小

对于硬盘块设备，通常会划分几个分区，每个分区所存放的不同的文件系统。硬盘的第一个扇区是主引导扇区，其中存放着硬盘引导程序和分区表信息。分区表中得信息指明了硬盘上每个分区的类型、在硬盘中其实位置参数和结束位置参数以及占用的扇区总数。其结构如下图1-3所示。

图1-3 硬盘设备上的分区和文件系统

对于可以建立不同的多个文件系统的硬盘设备来说，minix文件系统引入超级块进行管理硬盘的文件系统结构信息。其结构如下图1-4所示。其中，s_ninodes表示设备上得i节点总数，s_nzones表示设备上的逻辑块为单位的总逻辑块数。s_imap_blocks 和s_zmap_blocks分别表示i节点位图和逻辑块位图所占用的磁盘块数。

s_firstdatazone表示设备上数据区开始处占用的第一个逻辑块块号。s_log_zone_size 是使用2为底的对数表示的每个逻辑块包含的磁盘块数。对于MINIX1.0文件系统该值为0，因此其逻辑块的大小就等于磁盘块大小。s_magic是文件系统魔幻数，用以指明文件系统的类型。对于MINIX1.0文件系统，它的魔幻数是0x137f。

图 1-4 MINIX超级块结构

对于超级块来说有两个特殊之处：

●逻辑位图的最低比特位（位0）闲置不用，并在创建文件系统时会预先置1。

●I节点位图的最低比特位（位0）闲置不用，并在创建文件系统时会预先置1。

因此i节点位图只能表示8191个i节点的状况。

1.2 i节点

I节点则是用来存放文件的相关信息。对于每个文件或者目录名都有一个i节点，各自i节点结构中存放着对应文件的相关信息。其i节点的结构（32个字节）如图1-6所示。

其中i_mode字段的是用来保存文件的类型和访问权限属性。其15-12用于保存文件类型，为11-9保存执行文件时设置的信息，位8-0用于设置范文权限。如图1-5所示。

I节点有一个特殊之处：

●I节点0是闲置不用的，在文件系统创建时被置1。

图 1-5 i节点属性字段内容

图 1-6 MINIX文件系统1.0版的i节点结构其中文件所占用得盘上逻辑块号数组结构如下图1-7所示。

图 1-7 i节点的逻辑块（区块）数组的功能

1.3文件类型、属性和目录项

Linux下文件属性的查看可以通过“ls –l”，具体如下图1-8所示：

图 1-8 linux下“ls –l“显示的文件信息

从上图可以看出来，在linux下通常可以分为六种类型的文件：

●正规文件（‘-’），系统对其不做任何解释，包含有任何长度的字节流。

●目录（‘d’）在linux下也是一种文件，文件管理系统会对其内容进行解释。

●符号链接（‘s’）用于使用不同的文件名来引用另外一个文件。分为软链接和

硬链接。软链接可以跨文件系统进行链接，删除时不会影响到源文件；而硬链

接则不能跨文件系统（或者设备），它和被链接的文件地位相同，被作为一般文件对待，并且会递增文件的链接计数。

●命名管道（‘p’）文件时系统创建有名管道建立的文件，用于无关进程间的

通信。

●字符设备（‘c’）文件用于以操作文件的方式访问字符设备。主要包括tty终

端、内存设备和网络设备。

●块设备（‘b’）文件用于访问硬盘、软盘等设备。在linux下，块设备和字符

设备文件一般存放在/dev目录下。

注释1：每个i节点都有一个链接计数i_nlinks，记录着指向该i节点的目录项数，这就是文件的硬链接计数。在执行删除文件时，只有i_nlinks等于0时才允许删除此数据。

注释2：符号链接（即软链接）类型的文件并不会直接指向对应的文件的i节点，而是在其数据块中存储这一文件的路径名字符串，内核查看这个文件是通过路劲名进行直接解析的。因此可以跨文件系统（或者设备）链接。

文件系统的目录项结构体定义在/include/linux/fs.h的头文件中，其结构如下图1-9所示。

图 1-9 目录项结构体的定义

注释1：一个逻辑块能存储的目录项1024/16=64

注释2：对于i节点的i_zone[0]所对应的逻辑块来说，它在初始化时首先存储了“.”（自己目录的i节点号）和“..”（父目录的i节点号）两个目录，在代码中会有体现，对目录项进行遍历时，会从2开始。

通过文件名从文件系统中获取其数据块的流程图如下图1-10所示。