文件系统

文件 = struct file_operations

• 数据文件：hello.c, a.out, ...
  • 虚拟的磁盘
  • vector<char>
• 设备驱动
  • null, nuke0, ...
• 虚拟文件
  • 进程的地址空间, ...

新需求：怎么管理系统中众多的文件？

• find_file_by_name?

一个新的需求：管理文件

文件那么多，怎么找到想要的？

• 信息的局部性：将虚拟磁盘 (文件) 组织成层次结构

思路：信息的局部性

树状层次结构

• 逻辑相关的数据存放在相近的目录

.
└── 学习资料
    ├── .学习资料(隐藏)
    ├── 问题求解1
    ├── 问题求解2
    ├── 问题求解3
    ├── 问题求解4
    └── 操作系统

麻烦的是 “非数据” 的文件

UNIX/Linux: Everything is a File

• 一切都在 “/” 中 (例子：中文语言包, fstab)

Windows 的设计

• 一个驱动器一棵树：A:, B:, C:, ...
• 其他命名空间：Windows Driver Model, Registry
  • (也可以 “everything is a file”)

HANDLE hDevice = CreateFile(
    "\\\\.\\PhysicalDrive0",
    GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
    FILE_SHARE_READ | FILE_SHARE_WRITE,
    NULL, OPEN_EXISTING, 0, NULL
);

UNIX 的设计：目录树的拼接

mount: 将一个目录解析为另一个文件系统的根

mount(source, target, filesystemtype, mountflags, data);

• 再看 “最小 Linux”
  • 初始时只有 /dev/console 和几个文件
  • /proc, /sys, 甚至 /tmp 都没有
    • 答案：它们都是 mount 系统调用创建出来的
• UNIX 一贯的设计哲学：灵活
  • Linux 安装时的 “mount point”
    • /, /home, /var 可以是独立的磁盘设备

Quiz

如何挂载一个 filesystem.img?

• 一个微妙的循环
  • 文件 = 磁盘上的虚拟磁盘
  • 挂载文件 = 在虚拟磁盘上虚拟出的虚拟磁盘
• 试试镜像

Linux 的处理方式

创建一个 loopback (回环) 设备

• 设备驱动把设备的 read/write 翻译成文件的 read/write
• drivers/block/loop.c
  • 实现了 loop_mq_ops (不是 file_operations)

观察挂载文件的 strace

• lsblk 查看系统中的 block devices (strace)
• strace 观察挂载的流程
  • ioctl(3, LOOP_CTL_GET_FREE)
  • ioctl(4, LOOP_SET_FD, 3)

Filesystem Hierarchy Standard

我们看到的目录结构

• FHS enables software and user to predict the location of installed files and directories.
  • 例子：macOS 是 UNIX 的内核 (BSD), 但不遵循 Linux FHS

文件系统 API: 目录管理

mkdir

• 创建目录

rmdir

• 删除一个空目录
• 没有 “递归删除” 的系统调用
  • rm -rf 会遍历目录，逐个删除 (试试 strace)

getdents

• 返回 count 个目录项 (ls, find, tree 都使用这个)
  • 更友好的方式：globbing

硬 (hard) 链接

需求：系统中可能有同一个运行库的多个版本

• libc-2.27.so, libc-2.26.so, ...
• 还需要一个 “当前版本的 libc”
  • 程序需要链接 “libc.so.6”，能否避免文件的一份拷贝？

(硬) 链接：允许一个文件被多个目录引用

• 文件系统实现的特性 (ls -i 查看)
  • 不能链接目录、不能跨文件系统
  • 删除文件的系统调用称为 “unlink” (refcount--)

软 (symbolic) 链接

软链接：在文件里存储一个 “跳转提示”

• 软链接也是一个文件
  • 当引用这个文件时，去找另一个文件
  • 另一个文件的绝对/相对路径以文本形式存储在文件里
  • 可以跨文件系统、可以链接目录、……

几乎没有任何限制

• 类似 “快捷方式”
  • 链接指向的位置不存在也没关系
  • (也许下次就存在了)

软链接：可以用来制作 Galgame

软链接：可以用来制作 Galgame