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体育世界 · 2019-04-03

本文将分三部分来记载 Linux 内核磁盘相关的常识,机器人拼装炮塔别离是虚拟文件体系 VFS、块设备层以及文件体系。

三者的扼要联系如下,如图所示,文件体系坐落磁盘上,对磁盘上的文件进行安排和办理,块设备层能够理解为块设备的笼统,而虚拟文件体系VFS是对文件体系的一层笼统,婚债难偿下面先从底层的文件体系说起。


1 文件体系

Linux 支撑的文件体系有几十种,可是 ext 文件体系运用的最为广泛,现在 ext 文件体系族有 ext2、ext3 和 ext4,而 ext2 又是 ext 文件体系的根底,所以本文将以 ext2 为例来解说 ext 文件体系族。

ext2 文件体系是根据块设备的文件体系,它将硬盘划分为若干个块,每个块的长度都相同,一个文件占用的存储空间是块长度的整数倍,即一个块不能用来存储两个文件。

ext2 由很多的块组组成,块组的结构如下图:



而整个硬盘的结构能够用下图表明:



发动块是体系在发动时,由 BIOS 主动加载并履行,它包含一个发动装载程序,一般坐落硬盘的开端处,文件体系是从发动块之后开端的。下面来了解块组中各个部分的构成。

1.1 超级块

超级块存储的信息包含闲暇和已运用的块的数目、块长度、当时文件体系的状况、各种时刻戳,标识文件体系类型的魔数,每个块组中存储的超级块内容都是相同的,这样做是为了在体系溃散损坏超级块的情况下,有其他副本能够用来康复数据。

struct ext2_super_block{
__le32 s_inodes_count; /*inode数据*/
__le32 s_blocks_count; /*块数目*/
__le32 s_r_blocks_count; /* 已分配块的数目*/
__le32 s_free_blocks_count; /*闲暇块数目*/
__le32 s_free_inodes_count; /*闲暇inode数目*/
__le32 s_first_data_block; /*第一个数据块*/
__le32 s_log_block_size; /*块长度*/
__le32 s_log_frag_size; /*碎片长度*/
__le32 s_blocks_per_group; /*每个块组包含的块数*/
__le32 s_frags_per_group; /*每个块组包含的碎片*/
__le32 s_inodes_per_group; /*每个块组的inode数目*/
__le32 s_mtime; /*装载时刻*/
__le32 s_wtime; /*写入时刻*/
__le16 s_mnt_count; /*装载计数*/
__le16 s_max_mnt_count; /*最大装载计数*/
__le16 s_magic; /*魔数,符号文件体系类型*/
…………
}

超级块的存储结构首要包含以上部分,下面解说要害字段。

  • s_log_block_size:用来表明块的长度,取值为 0、1 和 2,别离对应的块长度为 1024、2048 和 4096,块长度是由 mke2fs 创立文件体系期间指定,创立后,就不能修正
  • s_block_per_group和s_inodes_per_group:每个块组中块和 inode 的数量,创立文件体系时确认。
  • s_magic:存储的是 0XEF53,用来标识 ext2 文件体系

1.2 组描绘符

组描绘符反映了文件体系中各个块组的状况,例如块组中的闲暇块和 inode 数目,每个块组都包含了文件体系中一切块组的组描绘信息,其数据结构如下:

struct ext2_group_desc{
__le32 bg_block_徐安庐bitmap; /*块位图块*/
__le32 bg_inode_bitmap; /*inode位图块*/
__le32 bg_inode_table; /*inode表块*/
__le16 bg_free_blocks_count; /*闲暇块数目*/
__le16 bg_free_inodes_count; /*闲暇inode数目*/
__le16 bg_used_dirs_count; /*目录数目*/
__le16 bg_pad;
__le32 bg_reserved[3];
}

1.3 数据块位图和 inode 位图

位图是保存长的比特位串,该结构中每个比特位都对应于一个数据块或 inode,用来标识对应的数据块或 inode 是闲暇仍是被运用。总是占用一个数据块。

1.4 inode 表

inode 表包含了块组中一切的 inode,inode 包含了文件的特色和对应的数据块的标号,inode 的数据结构如下:

struct ext2_inode{
__le16 i_mode; /*文件形式*/
__le目土土16 i_uid; /*一切者UID的低16位*/
__le32 i_size; /*长度,按字节核算*/
__le32 i_atime; /*拜访时刻*/
__le32 i_ctime; /*创立时刻*/
__le32 i_mtime; /*修正时刻*/
__le32 i_dtime; /*删去时刻*/
__le16 i_gid; /*组ID的低16位*/
__le16 i_links_count; /*链接计数*/
__le32让让子 i_blocks; /*块数目*/
__le32 i_flags; /*文件标志*/
uion{
……
}masix1;
__le32 i_blocks[EXT2_N_BLOCKS]; /*块指针*/
__le32 i_generation; /*文件版别,用于NFS*/
…………
}
  • i_mode:拜访权限
  • i_size和i_block:别离以字节和块为单位指定了文件的长度,需求留意的是,这儿总是假定块的巨细是 51杨卓娜老公2 字节(和文件体系实践运用的块巨细没有联系)
  • i_blocks:存储数据块的标号的数组,数组长度为 EXT2_N_BLOCKS,其默许值是 12+3
  • i_link_count:计算硬链接的计数器
  • 每个块组的 inode 数量也是由文件体系创立时设定,默许的设置是 128

1.5 数据块

数据块保存的是文件的有用数据。

常识点 1:inode 中保存了文件占用的数据块的编号,那么 inode 是怎样保存数据块的编码的?

关于一个 700MB 的文件,假如数据块的长度是 4KB,那么需求 175000 个数据块,而 inode 需求用 175000*4 个字节来存储一切的块号信息,这就需求消耗很多的磁盘空间来存储 inode 信息,更重要的是大多数文件都不需求存储这么多块号。



Linu简笔画图片大全,Linux 内核学习-磁盘篇,刀剑乱舞x 运用直接存储的计划来处理这个问题,上图表明了简略直接和二次直接,inode 自身会存储 15 个数据块的标号,其间 12 个直接指向对应的数据块,当文件需求的数据块超越 12 个时,就需求运用直接,直接指向的数据块,用来存储数据块的标号,而不会存储文件数据,同理,当一次直接还不够用时,就需求二次直接,ext2 最高供给三次直接,这样咱们就很简单算出文件体系支撑的最大文件长度。

块长度最大文件长度102416GB2048256GB40962TB

常识点2:将分区分为多个块组有什么优点?

文件体系会试合租日子图把文件储存到同一个块组中,简笔画图片大全,Linux 内核学习-磁盘篇,刀剑乱舞以最小化磁头在 inode、块位图和数据块之间寻道的价值,这样能够明显进步磁盘拜访速度

常识超级响马体系点3:目录是怎样存储的?

目录自身也是文件,其同样是有 inode 和对应的数据块,只不过数据块上寄存的是描绘目录项的的结构,其界说如下。

struct ext2_dir_entry_2{
__le32 inode;
__le16 rec_len;
__u8 name_len;
__u8 file_type;
char name[EXT2_NAME_LEN];
};
  • file_type:指定了目录的类型,常用的值有 EXT2_FT_REG_FILE 和 EXT2_FT_DIR,别离用来标识文件和目录。
  • rec_len:表明从 rec_len 字段结尾到下一个 rec_len 字段结尾的偏移量,单位是字节,关于删去的文件和目录,不必删去对应的数据,只需求修正 rec_len 的值就能够,皇家俏药娘用来有用地扫描文件目录。

关于文件体系的创立加载,以及数据块的读取和创立,以及预分配等细节,这儿不再赘述。

2 块360sandbox设备层

块设备有一下几个特色:

  1. 能够在数据中的任何方位进行拜访
  2. 数据总是以固定长度块进行传输
  3. 对块设备的拜访有大规模的缓存

需求留意是,这儿说到的块和上文 ext2 文件体系的块概念是相同。块的最大长度受内存页的长度约束。别的,咱们知道磁盘还有一个概念是扇区

sector

,它表明磁盘读写的最小单位,一般是 512 个字节,块是扇区的整数倍。

块设备层是一个笼统层,用来进步磁盘的读写功率,运用恳求行列,来缓存并重排读写数据块的恳求,一起供给预读的功用,供给缓存来保存预读取的内容。因而下文将要点介绍恳求行列以及调度战略。

2.1 恳求行列

恳求行列是一个存储简笔画图片大全,Linux 内核学习-磁盘篇,刀剑乱舞了 I/O 恳求的双向链表,下面来看表明 I/O 恳求的数据结构。

struct request{
struct list_head queuelist;
struct list_head_donelist;
struct request_queue *q;
unsigned int cmd_flags;
enum rq_cmd_type_bits cmd_type;
...
sector_t sector; /*需求传输的下一个扇区号*/
sector_t hard_sector; /*需求传输的下一个扇区号*/
unsigned long nr_sectors; /*还需求传输的扇区数目*/
unsigned long hard_nr_sectors; /*还需求传输的扇区数目*/
unsigned long current_nr_secotrs; /*当时段中还需求传输的扇区数目*/
struct bio *bio;
struct bio *biotail;
...
void *elevator_private;
void *elevator_private2;
...
};

该结构有3个成员能够指定所需传输数据的精确方位。

  • sector:指定了数据传输的开端扇区
  • current_nr_sectors:当时恳求在当时段中还需求传输的扇区数目
  • nr_sectors:当时恳求还需求传输的扇区数目

其间的 bio 和 biotail 字段涉及到别的一个概念 BIO,下面来胪陈。

2.2 BIO

BIO 用于在体系和设备之间传输数据,其结构如下,首要相关到了一个数组上,数组项则指向一个内存页。



BIO 的数据结构如下:

struct bio{
sector_t bi_sector;
struct bio *bi_next; /*将与恳求相关的几个BIO安排到一个单链表中*/
...
unsigned short bi_vcnt; /*bio_vec的数目*/
unsigned short bi_idx; /*bi_io_vec数组中,当时处理数组项的索引*/
uns恋人交流生igned short bi_phys_segments;
unsigned short bi_hw_segments;
unsigned int bi_size; /*剩下IO数据量*/
struct bio_vec *bi_io_vec; /*实践的bio_vec数组*/
bio_end_io_t *bi_end_io;
vo淮南搜索引擎优化赛雷猴id *bi_private;
};

大体上,内核在提交恳求时,能够分两步:

  1. 首要创立一个 BIO 实例以描绘恳求,然后恳求的 bio 字段指向创立的 BIO 实例,并把恳求置于恳求行列上
  2. 内核处理恳求行列并履行 BIO 中的操作。

2.3 恳求插简笔画图片大全,Linux 内核学习-磁盘篇,刀剑乱舞入行列

内核运用行列刺进机制,来有意阻挠恳求的处理,恳求行列或许处于闲暇状况或许刺进状况,假如行列处于闲暇状况,行列中等候的恳求将会被处理,不然,新的恳求仅仅添加到行列,但并不处理。

2.4 I/O 调度

调度和重排 I/O 操作的算法,称之为 I/O 调度器,也称为电梯

elevator

,现在常用的调度算法有:

  • noop:依照先来先效劳的准则一次添加到行列,恳求会进行合并当无法重排
  • deadline:企图最小化磁盘寻道的次数,并尽或许保证恳求在必定时刻内完结
  • as:猜测调度器,会尽或许猜测进程的行为。
  • c简笔画图片大全,Linux 内核学习-磁盘篇,刀剑乱舞fq:彻底公正排队,时刻片会分配到每个行列,内核运用一个轮转算法来处理各个行列,保证了 I/O 带宽以公正的方法在不同行列之间同享。

3 虚拟文件体系

VFS 是对文件体系的一层笼统,来屏蔽各种文件体系的差异,关于 VFS 来说,其首要操作的目标依然是 inode,这儿需求留意的是,内存中的 inode 结构和磁盘上文件体系中的 inode 结构稍有不同。其包含了一些磁盘上 inode 没有的成员。

3.1 inode

VFS 中 inode 结构如下:

struct inode{
struct hlist_node ihash;
struct list_head i_光良老婆list;
struct list_head i_sb_list;
st吊线飞鹰ruct list_head i_dentry;
...
loff_t i_size;
...
unsigned int i_blkbits;
blkcnt_t i_blocks;
umode_t i_mode;
...
};

inode 中没有保存文件名,而文件名保存在目录项 dentry 中,因而,假如应用层需求翻开一个简笔画图片大全,Linux 内核学习-磁盘篇,刀剑乱舞给定的文件名,就需求先查找其 dentry,找其对应的 inode,然后找到它在磁盘上的lwscam存储方位。

3.2 dentry

struct dentry{
atomic_t d_count;
unsigned int d_flags; /*由d_lock维护*/
spinlock_t d_lock; /*每个dentry的锁*/
struct inode *d_inode; /*文件名所属的inode,假如为NULL,则标识不存在的文件名*/
struct hlist_node d_hash; /*用于查找的散列表*
struct dentry *d_parent; /*父目录的dentry实例*/
struct qstr d_name;
...
unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN] /*短文件名存储在这儿*/
};

上文说到,dentry 的首要用途是树立文件名和 inode 的相关,其间有 3 个重要字段:

  • d_inode:指向相关 inode 实例的指针,d_大雄hentry 还能够为不存在的文件名树立,这时 d_inode 为 NULL 指针,这有助于查找不存在的文件名
  • d_na伊藤富士子me:指定了文件的称号
  • d_iname:假如文件名有少数字符组成,则存储在该字段,以加快拜访

因为块设备的拜访速度较慢,为了加快 dentry 的查找,内核运用 dentry 缓存来加快其查找。而 dentry 缓存在内存中的安排形式如下:

  1. 一个散列表:包含了一切的 dentry 目标
  2. 一个 LRU 链表:不再运用的目标将颁发一个简笔画图片大全,Linux 内核学习-磁盘篇,刀剑乱舞终究宽限期,宽限期往后才从内存移除。

关于 VFS 来说,首要的一个作业是查找 inode,下面就介绍 inode 的查找流程。

首要调用 __link_path_walk 来进行权限查看然后首要的逻辑在 do_lookup 中完成。



do_lookup 始于一个途径重量,终究回来一个和带查找文件名相关的 inode。

  1. 去 dentry 缓存中查找 inode,假如查找到,仍会调用文件体系的 d_revalidate 函数来查看缓存是否有用
  2. 调用 read_lookup 将军一跳声名裂履行特定于文件体系的查找操作

3.3 翻开文件

关于应用程序来说,一般会调用 open 体系函数来翻开一个文件,下面就看下内核处理 open 的流程。



  1. 首要查看 force_o_largefile 设置
  2. 找到一个可用的文件描绘符
  3. open_nakuaibmei 调用 path_lookup 函数查找 inode
  4. 将创立的 file 实例放置到 s_files 链表上
  5. 将file实例放置到进程 task_struct 的 file->fd 数组中
  6. 回来到用户层

总结

内核有关磁盘的完成扑朔迷离,本文企图经过介绍一些要害的概念:ext 文件体系、inode、dentry、BIO 等,让我们了解内核完成磁盘 I/O 的首要原理。本文归于读书笔记,假如有疑问的当地 ,能够直接参看《深化Linux内核架构》。

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