漫话随笔

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文件管理 ​

文件管理是操作系统进行持久化管理的整一套链路。包括从对底层磁盘等外部存储设备的管理，到对于提供给上层用户的文件接口。在用户打开了一个文件，并写入数据的过程中，涉及了多个子系统的配合。

其中包括：

应用层 ​

在应用层，用户态程序以进程为单位来维护进程本身所使用的资源。用户程序需要使用一个文件的时候，会先打开文件，此时操作系统，为进程建立一个可以用来访问文件的抽象 struct File 结构，并返回一个 int 类型的文件描述符，其实就是 file 结构在进程结构体里面存放的数组索引，之后进程通过文件描述符来访问文件资源。

系统调用 ​

用户程序调用 open、read、write 等文件操作系列的系统调用，进入内核态来管理文件。内核根据文件描述符查找对应 struct file，调用虚拟文件系统（VFS）的相应 struct file_operations 接口中的处理请求。例如：

  • open：创建或查找文件，分配文件描述符。
  • write：通过 VFS 将数据写入底层设备。
  • close：释放文件描述符和相关资源。 文件相关的系统调用确保用户态程序与内核安全交互，同时屏蔽底层复杂性，提供了统一的文件访问接口。

VFS ​

Linux 继承了 Unix 系统的经典哲学——一切皆文件的思想。虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）是 Linux 内核中的一个重要抽象层，它为不同的文件系统提供了统一的接口，使得应用程序可以用相同的方式访问不同类型的文件系统。

注意区分虚拟文件系统和文件系统，虚拟文件系统是 Linux 的管理文件的子系统，而文件系统是一种通用的协议。

在 VFS 层，对上提供 dentry 对象用于构造一个虚拟的运行时文件树结构，对下使用 inode 结构封装来自于各个结构的物理数据源。

协议层 ​

协议层是用于屏蔽底层的设备抽象层中的两种设备模型的差异的，字符设备、块设备，其中字符设备较为简单，而块设备有更加复杂的抽象机制。

字符设备块设备
vfs 直接和驱动交互通过文件系统协议和块设备子系统操作硬盘，将硬盘中的文件元数据映射成一个 inode 的后端数据源，供 inode 来调用操作

文件系统 ​

文件系统是一种协议，规定了如何在磁盘上组织和存储数据。因为，磁盘是块设备，可以看作是一个具有固定大小的字节数组。而我们打开一个磁盘看到的却是一个树形的文件目录结构，如何在一个字节数组上去存储一个树形的文件目录结构，就是文件系统干的事情。文件系统是一个相较于独立的模块，可以在操作系统中独立安装和卸载，并同时存在不同的文件系统。

  • 文件系统是跨操作系统的，一个操作系统只要能够实现一个文件系统就可以，从一个使用某种文件系统组织数据的磁盘中获取数据
  • 同一个系统管理的不同的磁盘也可以使用不同文件系统来管理
  • 文件系统与磁盘驱动之间没有直接关联，文件系统描述的是字节数据的组织形式，而磁盘驱动负责从磁盘读写字节数据块；但是文件系统往往需要间接调用驱动来帮它读写数据，操作硬件。
  • 磁盘在挂载到虚拟文件系统前需要格式化，格式化过程就是建立文件系统的过程。

块设备子系统 ​

块设备子系统是用于直接操作磁盘驱动完成 IO 读写的模块，它为 Linux 上的各种文件系统提供了一个 bio 机制，让不同的文件系统不必关心驱动的接口，只需关注磁盘文件的组织逻辑，方便了文件系统的安装和拆卸。

设备层 ​

设备管理层负责设备的初步抽象和驱动程序封装。向上暴露驱动程序对象，上层模块只需调用驱动封装好的接口即可完成自己的业务逻辑。

目前主要是三种设备，抽象出了三种不同的驱动，而 VFS 只对接字符设备和块设备，网络设备走的是 socket API。

对于字符设备而言，VFS 通过 inode 直接访问字符设备的驱动，实现设备调用。对于块设备，VFS 通过中间的文件系统协议层——块设备子系统和文件系统协议来访问块设备，通过 inode 封装块设备中的一个个文件，从而实现文件资源的访问。