Linux驱动开发进阶 - 文件系统

1、前言

1. 学习参考书籍：李文山的《Linux驱动开发进阶》
2. 本文是为了学习上述书籍时，不能囫囵吞枣，才写的。等实际遇到问题了，我也只会去回看原书籍。所以本文不太具备教学功能。

2、学习目标

在Linux中，文件系统可以分为两大类：虚拟文件系统（如sysfs、procfs、devtmpfs）和实际物理存储设备的文件系统（如ext2、ext3、ext4、vfat、fat32）。那Linux如何管理这些文件系统呢？同时本文将在最后编写一个虚拟的文件系统驱动程序。

3、VFS虚拟文件系统

Linux内核的设计哲学非常注重抽象和模块化，这种设计使得系统更加灵活、可扩展且易于维护。Linux为了管理各种类型的文件系统（sysfs、procfs、ext2、ext3、ext4、fat32、…），抽象出了 VFS（Virtual File System Switch，虚拟文件系统切换层）。

一个功能的诞生肯定是为了解决实际问题，那VFS虚拟文件系统的诞生也是为了管理众多不同的文件系统。在Linux的VFS虚拟文件系统中，有四个核心对象是理解和实现文件系统的关键，分别是：超级块（Super Block）、索引节点（Inode）、目录项（Dentry）和文件对象（File）。

3.1、超级块（Super Block）

在Linux文件系统中，许多文件系统本身就存在显示的超级块，如ext2、ext3、ext4。它们在分区的第一个块（或前几个块）中存储了超级块。超级块包含了文件系统的元数据，如总块数、总Inode数、块大小、文件系统状态等。

但不是所有的文件系统都显示存在超级块，如Windows下常用的文件系统，如ntfs、fat32等，它们有自己的结构来存储文件系统的元数据和管理信息，这些结构在功能上类似于超级块，但名称和具体实现不同。

在Linux下，无论该文件系统是否存在超级块，挂载时必须初始化超级块数据结构。

struct super_block {struct list_head	s_list;		/* Keep this first */dev_t			s_dev;		/* search index; _not_ kdev_t */unsigned char		s_blocksize_bits;unsigned long		s_blocksize;loff_t			s_maxbytes;	/* Max file size */struct file_system_type	*s_type;const struct super_operations	*s_op;const struct dquot_operations	*dq_op;const struct quotactl_ops	*s_qcop;const struct export_operations *s_export_op;unsigned long		s_flags;unsigned long		s_iflags;	/* internal SB_I_* flags */unsigned long		s_magic;struct dentry		*s_root;struct rw_semaphore	s_umount;int			s_count;atomic_t		s_active;
#ifdef CONFIG_SECURITYvoid                    *s_security;
#endifconst struct xattr_handler **s_xattr;
#ifdef CONFIG_FS_ENCRYPTIONconst struct fscrypt_operations	*s_cop;
#ifdef __GENKSYMS__/** Android ABI CRC preservation due to commit 391cceee6d43 ("fscrypt:* stop using keyrings subsystem for fscrypt_master_key") changing this* type.  Size is the same, this is a private field.*/struct key		*s_master_keys; /* master crypto keys in use */
#elsestruct fscrypt_keyring	*s_master_keys; /* master crypto keys in use */
#endif
#endif
#ifdef CONFIG_FS_VERITYconst struct fsverity_operations *s_vop;
#endif
#ifdef CONFIG_UNICODEstruct unicode_map *s_encoding;__u16 s_encoding_flags;
#endifstruct hlist_bl_head	s_roots;	/* alternate root dentries for NFS */struct list_head	s_mounts;	/* list of mounts; _not_ for fs use */struct block_device	*s_bdev;struct backing_dev_info *s_bdi;struct mtd_info		*s_mtd;struct hlist_node	s_instances;unsigned int		s_quota_types;	/* Bitmask of supported quota types */struct quota_info	s_dquot;	/* Diskquota specific options */struct sb_writers	s_writers;/** Keep s_fs_info, s_time_gran, s_fsnotify_mask, and* s_fsnotify_marks together for cache efficiency. They are frequently* accessed and rarely modified.*/void			*s_fs_info;	/* Filesystem private info *//* Granularity of c/m/atime in ns (cannot be worse than a second) */u32			s_time_gran;/* Time limits for c/m/atime in seconds */time64_t		   s_time_min;time64_t		   s_time_max;
#ifdef CONFIG_FSNOTIFY__u32			s_fsnotify_mask;struct fsnotify_mark_connector __rcu	*s_fsnotify_marks;
#endifchar			s_id[32];	/* Informational name */uuid_t			s_uuid;		/* UUID */unsigned int		s_max_links;fmode_t			s_mode;/** The next field is for VFS *only*. No filesystems have any business* even looking at it. You had been warned.*/struct mutex s_vfs_rename_mutex;	/* Kludge *//** Filesystem subtype.  If non-empty the filesystem type field* in /proc/mounts will be "type.subtype"*/const char *s_subtype;const struct dentry_operations *s_d_op; /* default d_op for dentries *//** Saved pool identifier for cleancache (-1 means none)*/int cleancache_poolid;struct shrinker s_shrink;	/* per-sb shrinker handle *//* Number of inodes with nlink == 0 but still referenced */atomic_long_t s_remove_count;/* Pending fsnotify inode refs */atomic_long_t s_fsnotify_inode_refs;/* Being remounted read-only */int s_readonly_remount;/* per-sb errseq_t for reporting writeback errors via syncfs */errseq_t s_wb_err;/* AIO completions deferred from interrupt context */struct workqueue_struct *s_dio_done_wq;struct hlist_head s_pins;/** Owning user namespace and default context in which to* interpret filesystem uids, gids, quotas, device nodes,* xattrs and security labels.*/struct user_namespace *s_user_ns;/** The list_lru structure is essentially just a pointer to a table* of per-node lru lists, each of which has its own spinlock.* There is no need to put them into separate cachelines.*/struct list_lru		s_dentry_lru;struct list_lru		s_inode_lru;struct rcu_head		rcu;struct work_struct	destroy_work;struct mutex		s_sync_lock;	/* sync serialisation lock *//** Indicates how deep in a filesystem stack this SB is*/int s_stack_depth;/* s_inode_list_lock protects s_inodes */spinlock_t		s_inode_list_lock ____cacheline_aligned_in_smp;struct list_head	s_inodes;	/* all inodes */spinlock_t		s_inode_wblist_lock;struct list_head	s_inodes_wb;	/* writeback inodes */ANDROID_KABI_RESERVE(1);ANDROID_KABI_RESERVE(2);ANDROID_KABI_RESERVE(3);ANDROID_KABI_RESERVE(4);
} __randomize_layout;

• s_list：链表结构体，包含prev和next指针，用来连接前驱和后继节点
• s_dev：块设备标识符，例如/dev/sda、/dev/nvme
• s_blocksize_bits：块大小占用的位数，例如块大小为4096则该值为12
• s_blocksize：数据块大小，单位为字节
• s_maxbytes：文件的最大长度，单位字节
• s_type：文件系统类型
• s_op：超级块操作方法，指向具体的文件系统
• dp_op：和s_op一样，但用于特定操作方法
• s_qcop：和s_op一样，但用于配置磁盘的特定的操作方法
• s_flags：文件系统是否安装标志
• s_magic：文件系统魔数，每个文件系统都有各自的魔数
• s_root：文件系统的根目录文件
• s_umount：用于文件系统对文件进行读写同步
• s_count：超级块的使用计数
• s_active：超级块的引用计数
• s_security：用于安全的私有指针
• s_d_op：dentry操作方法集合

其中超级块的操作函数结构体struct super_operations内容如下：

struct super_operations {struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);void (*destroy_inode)(struct inode *);void (*free_inode)(struct inode *);void (*dirty_inode) (struct inode *, int flags);int (*write_inode) (struct inode *, struct writeback_control *wbc);int (*drop_inode) (struct inode *);void (*evict_inode) (struct inode *);void (*put_super) (struct super_block *);int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);int (*freeze_super) (struct super_block *);int (*freeze_fs) (struct super_block *);int (*thaw_super) (struct super_block *);int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);void (*umount_begin) (struct super_block *);int (*show_options)(struct seq_file *, struct dentry *);int (*show_devname)(struct seq_file *, struct dentry *);int (*show_path)(struct seq_file *, struct dentry *);int (*show_stats)(struct seq_file *, struct dentry *);
#ifdef CONFIG_QUOTAssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);struct dquot **(*get_dquots)(struct inode *);
#endifint (*bdev_try_to_free_page)(struct super_block*, struct page*, gfp_t);long (*nr_cached_objects)(struct super_block *,struct shrink_control *);long (*free_cached_objects)(struct super_block *,struct shrink_control *);ANDROID_KABI_RESERVE(1);ANDROID_KABI_RESERVE(2);ANDROID_KABI_RESERVE(3);ANDROID_KABI_RESERVE(4);
};

这些操作方法不用全部实现，下面对部分成员进行说明：

• alloc_inode：分配一个inode
• destroy_inode：释放一个硬盘上的inode
• free_inode：释放内存中的inode
• dirty_inode：用于将“脏”块标记的方法
• write_inode：写入数据到inode中
• drop_inode：当最后一个用户释放inode时调用该函数
• put_super：释放超级块，卸载文件系统时调用此函数
• sync_fs：同步文件系统，当有“脏页”时，更新数据
• statfs：查看文件系统信息，例如魔数、文件名最长多少、页大小

3.2、dentry

dentry翻译过来叫“目录项”。在上面的struct super_block结构体里有一个成员s_root就是struct dentry类型：

struct dentry {/* RCU lookup touched fields */unsigned int d_flags;		/* protected by d_lock */seqcount_spinlock_t d_seq;	/* per dentry seqlock */struct hlist_bl_node d_hash;	/* lookup hash list */struct dentry *d_parent;	/* parent directory */struct qstr d_name;struct inode *d_inode;		/* Where the name belongs to - NULL is* negative */unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN];	/* small names *//* Ref lookup also touches following */struct lockref d_lockref;	/* per-dentry lock and refcount */const struct dentry_operations *d_op;struct super_block *d_sb;	/* The root of the dentry tree */unsigned long d_time;		/* used by d_revalidate */void *d_fsdata;			/* fs-specific data */union {struct list_head d_lru;		/* LRU list */wait_queue_head_t *d_wait;	/* in-lookup ones only */};struct list_head d_child;	/* child of parent list */struct list_head d_subdirs;	/* our children *//** d_alias and d_rcu can share memory*/union {struct hlist_node d_alias;	/* inode alias list */struct hlist_bl_node d_in_lookup_hash;	/* only for in-lookup ones */struct rcu_head d_rcu;} d_u;ANDROID_KABI_RESERVE(1);ANDROID_KABI_RESERVE(2);
} __randomize_layout;

• d_flags：目录项标志
• d_hash：哈希表表项链表
• d_parent：父目录
• d_name：目录名称
• d_inode：指向目录或文件的inode
• d_iname：短文件名，当文件名小于DNAME_INLINE_LEN时，文件名存储在数组中
• d_op：目录项操作方法集合
• d_sb：指向该目录项的超级块指针
• d_child：同级目录链表
• d_subdirs：子目录项链表

对于某些文件系统（如 ext2/ext3/ext4、XFS等），它们在磁盘上有一个物理的超级块。dentry并不存在于磁盘中，它是vfs虚拟文件系统抽象出来的一个对象，它只存在于内存中。目录项是文件系统中用于将文件名与inode号关联起来的数据结构，作用是快速定位文件路径，减少路径解析的时间。

struct dentry中的d_op操作方法集合如下：

struct dentry_operations {int (*d_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);int (*d_weak_revalidate)(struct dentry *, unsigned int);int (*d_hash)(const struct dentry *, struct qstr *);int (*d_compare)(const struct dentry *,unsigned int, const char *, const struct qstr *);int (*d_delete)(const struct dentry *);int (*d_init)(struct dentry *);void (*d_release)(struct dentry *);void (*d_prune)(struct dentry *);void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);struct vfsmount *(*d_automount)(struct path *);int (*d_manage)(const struct path *, bool);struct dentry *(*d_real)(struct dentry *, const struct inode *);void (*d_canonical_path)(const struct path *, struct path *);ANDROID_KABI_RESERVE(1);ANDROID_KABI_RESERVE(2);ANDROID_KABI_RESERVE(3);ANDROID_KABI_RESERVE(4);
} ____cacheline_aligned;

• d_revalidate：使一个目录项重新生效
• d_hash：生成一个哈希值，用于VFS向哈希表中加入一个目录项
• d_compare：比较两个目录项名称
• d_delete：删除目录项
• d_init：初始化目录项
• d_release：释放目录项
• d_iput：当目录项的inode为NULL时，此时会调用该函数
• d_dname：设置目录项名称

上面有例举到，在struct dentry中有一个成员是d_inode，这里d_inode就是我们将要介绍的第三个核心对象。

3.3、inode

inode描述了磁盘上的文件信息，将所有文件的索引拿出来组成一个表，即inode表（inode table）。下图展示inode和dentry的关系（图片来自作者李文山的《Linux驱动开发进阶》）：

当文件系统需要访问一个文件时，以下步骤会发生：

1. 路径解析：
   • 从根目录开始，逐级解析路径中的每个目录项，找到目标文件的 dentry。
   • 每个目录项在目录文件中存储了文件名和对应的 inode 号。
2. 找到 inode：
   • 通过 dentry 的 d_inode 字段，找到与该文件名关联的 inode 对象。
   • 如果 inode 对象尚未加载到内存中，文件系统会从磁盘读取对应的 inode 数据，并将其加载到内存中的 VFS inode 结构中。
3. 访问文件数据：
   • 通过 inode 中的数据块指针，找到文件数据在磁盘上的实际存储位置。
   • 文件系统通过这些数据块指针读取或写入文件的实际数据。

我们通过struct inode来看看inode存储了什么：

struct inode {umode_t			i_mode;unsigned short		i_opflags;kuid_t			i_uid;kgid_t			i_gid;unsigned int		i_flags;#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACLstruct posix_acl	*i_acl;struct posix_acl	*i_default_acl;
#endifconst struct inode_operations	*i_op;struct super_block	*i_sb;struct address_space	*i_mapping;#ifdef CONFIG_SECURITYvoid			*i_security;
#endif/* Stat data, not accessed from path walking */unsigned long		i_ino;/** Filesystems may only read i_nlink directly.  They shall use the* following functions for modification:**    (set|clear|inc|drop)_nlink*    inode_(inc|dec)_link_count*/union {const unsigned int i_nlink;unsigned int __i_nlink;};dev_t			i_rdev;loff_t			i_size;struct timespec64	i_atime;struct timespec64	i_mtime;struct timespec64	i_ctime;spinlock_t		i_lock;	/* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */unsigned short          i_bytes;u8			i_blkbits;u8			i_write_hint;blkcnt_t		i_blocks;#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDEREDseqcount_t		i_size_seqcount;
#endif/* Misc */unsigned long		i_state;struct rw_semaphore	i_rwsem;unsigned long		dirtied_when;	/* jiffies of first dirtying */unsigned long		dirtied_time_when;struct hlist_node	i_hash;struct list_head	i_io_list;	/* backing dev IO list */
#ifdef CONFIG_CGROUP_WRITEBACKstruct bdi_writeback	*i_wb;		/* the associated cgroup wb *//* foreign inode detection, see wbc_detach_inode() */int			i_wb_frn_winner;u16			i_wb_frn_avg_time;u16			i_wb_frn_history;
#endifstruct list_head	i_lru;		/* inode LRU list */struct list_head	i_sb_list;struct list_head	i_wb_list;	/* backing dev writeback list */union {struct hlist_head	i_dentry;struct rcu_head		i_rcu;};atomic64_t		i_version;atomic64_t		i_sequence; /* see futex */atomic_t		i_count;atomic_t		i_dio_count;atomic_t		i_writecount;
#if defined(CONFIG_IMA) || defined(CONFIG_FILE_LOCKING)atomic_t		i_readcount; /* struct files open RO */
#endifunion {const struct file_operations	*i_fop;	/* former ->i_op->default_file_ops */void (*free_inode)(struct inode *);};struct file_lock_context	*i_flctx;struct address_space	i_data;struct list_head	i_devices;union {struct pipe_inode_info	*i_pipe;struct block_device	*i_bdev;struct cdev		*i_cdev;char			*i_link;unsigned		i_dir_seq;};__u32			i_generation;#ifdef CONFIG_FSNOTIFY__u32			i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */struct fsnotify_mark_connector __rcu	*i_fsnotify_marks;
#endif#ifdef CONFIG_FS_ENCRYPTIONstruct fscrypt_info	*i_crypt_info;
#endif#ifdef CONFIG_FS_VERITYstruct fsverity_info	*i_verity_info;
#endifvoid			*i_private; /* fs or device private pointer */ANDROID_KABI_RESERVE(1);ANDROID_KABI_RESERVE(2);
} __randomize_layout;

• i_mode：文件的访问权限
• i_op：inode操作函数集合
• i_sb：超级块指针，指向文件系统的超级块
• i_mapping：地址映射描述
• i_nlink：硬连接数目
• i_rdev：设备号，在Linux中，所有的设备即是文件
• i_size：文件大小，单位字节
• i_atime：最后访问时间
• i_mtime：最后修改时间
• i_ctime：最后改变时间
• i_blkbits：块大小表示位数，例如块为4096字节时，此时值为12
• i_blocks：文件所占用的block数量
• i_hash：哈希表
• i_dentry：目录项链表
• i_fop：文件操作方法集合
• i_data：设备数据地址映射
• i_devices：块设备链表
• i_pipe：管道文件
• i_cdev：字符设备文件
• i_link：连接文件
• i_private：私有指针，一般用来存放数据块的首地址

其中成员i_op为inode的操作集合：

struct inode_operations {struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, unsigned int);const char * (*get_link) (struct dentry *, struct inode *, struct delayed_call *);int (*permission) (struct inode *, int);struct posix_acl * (*get_acl)(struct inode *, int);int (*readlink) (struct dentry *, char __user *,int);int (*create) (struct inode *,struct dentry *, umode_t, bool);int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,umode_t);int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,umode_t,dev_t);int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,struct inode *, struct dentry *, unsigned int);int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);int (*getattr) (const struct path *, struct kstat *, u32, unsigned int);ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);int (*fiemap)(struct inode *, struct fiemap_extent_info *, u64 start,u64 len);int (*update_time)(struct inode *, struct timespec64 *, int);int (*atomic_open)(struct inode *, struct dentry *,struct file *, unsigned open_flag,umode_t create_mode);int (*tmpfile) (struct inode *, struct dentry *, umode_t);int (*set_acl)(struct inode *, struct posix_acl *, int);ANDROID_KABI_RESERVE(1);ANDROID_KABI_RESERVE(2);ANDROID_KABI_RESERVE(3);ANDROID_KABI_RESERVE(4);
} ____cacheline_aligned;

• lookup：在dentry下查找inode
• create：在dentry下创建一个inode
• link：为一个indoe创建一个inode
• unlink：删除一个连接文件
• mkdir：在dentry下创建一个目录inode
• rmdir：在dentry下删除一个inode
• mknod：创建设备节点
• update_time：更新文件时间

3.4、file

file对象是与进程相关的文件描述符的内核表示。它是文件系统和进程之间交互的核心数据结构之一。file对象是Linux内核中用于表示打开文件的结构体。当进程通过系统调用（如 open()）打开文件时，内核会创建一个file对象，并将其添加到进程的文件描述符表中。当进程通过系统调用（如 close()）关闭文件时，内核会释放对应的file对象。file结构体如下：

struct file {union {struct llist_node	fu_llist;struct rcu_head 	fu_rcuhead;} f_u;struct path		f_path;struct inode		*f_inode;	/* cached value */const struct file_operations	*f_op;/** Protects f_ep_links, f_flags.* Must not be taken from IRQ context.*/spinlock_t		f_lock;enum rw_hint		f_write_hint;atomic_long_t		f_count;unsigned int 		f_flags;fmode_t			f_mode;struct mutex		f_pos_lock;loff_t			f_pos;struct fown_struct	f_owner;const struct cred	*f_cred;struct file_ra_state	f_ra;u64			f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITYvoid			*f_security;
#endif/* needed for tty driver, and maybe others */void			*private_data;#ifdef CONFIG_EPOLL/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */struct list_head	f_ep_links;struct list_head	f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */struct address_space	*f_mapping;errseq_t		f_wb_err;errseq_t		f_sb_err; /* for syncfs */ANDROID_KABI_RESERVE(1);ANDROID_KABI_RESERVE(2);ANDROID_OEM_DATA(1);
} __randomize_layout__attribute__((aligned(4)));	/* lest something weird decides that 2 is OK */

• f_path：文件路径，包含了dentry和vfsmout
• f_inode：执行inode指针
• f_op：文件操作方法集合
• f_count：文件对象使用计数
• f_flags：文件被打开时指定的标志，例如O_RDONLY，O_WRONLY
• f_mode：文件读写权限
• f_pos：文件当前的偏移量，即当前读写的位置相对于文件开始地址的偏移
• f_owner：文件所有者
• private_data：私有数据指针，较为常用
• f_mapping：文件的页缓冲映射地址

4、文件系统的挂载

当一个磁盘上的分区被挂载时，此时Linux内核会扫描该磁盘上对应的分区的所有索引节点(inode)，然后创建struct mount结构体和dentry对象，并将所有的超级块信息保存在struct superblock结构体中，并将所有的inode信息以链表的形式保存在struct inode结构体中，整个过程就建立了从struct mount到inode之间的关系。

5、文件系统的注册

内核维护一个全局链表 file_systems，用于存储所有已注册的文件系统类型。每个文件系统类型通过 file_system_type 结构体注册到这个链表中。

5.1、文件系统的注册过程

5.1.2、定义文件系统类型

文件系统开发者需要定义一个 file_system_type 结构体实例，并实现必要的操作函数（如挂载和卸载函数）。

static struct file_system_type myfs_type = {.owner = THIS_MODULE,.name = "myfs",.mount = myfs_mount,.kill_sb = myfs_kill_sb,.fs_flags = FS_REQUIRES_DEV,
};

5.1.3、注册文件系统

使用 register_filesystem() 函数将文件系统类型注册到内核中。这通常在文件系统模块加载时完成。

static int __init myfs_init(void) {return register_filesystem(&myfs_type);
}

int register_filesystem(struct file_system_type * fs)
{int res = 0;struct file_system_type ** p;if (fs->parameters &&!fs_validate_description(fs->name, fs->parameters))return -EINVAL;BUG_ON(strchr(fs->name, '.'));if (fs->next)return -EBUSY;write_lock(&file_systems_lock);p = find_filesystem(fs->name, strlen(fs->name));if (*p)res = -EBUSY;else*p = fs;write_unlock(&file_systems_lock);return res;
}

5.1.4、注销文件系统

使用 unregister_filesystem() 函数将文件系统从内核中注销。这通常在文件系统模块卸载时完成。

static void __exit myfs_exit(void) {unregister_filesystem(&myfs_type);
}

int unregister_filesystem(struct file_system_type * fs)
{struct file_system_type ** tmp;write_lock(&file_systems_lock);tmp = &file_systems;while (*tmp) {if (fs == *tmp) {*tmp = fs->next;fs->next = NULL;write_unlock(&file_systems_lock);synchronize_rcu();return 0;}tmp = &(*tmp)->next;}write_unlock(&file_systems_lock);return -EINVAL;
}

5.2、文件系统的挂载与注册的关系

• 挂载前的注册：在文件系统被挂载之前，它必须先注册到内核中。只有注册过的文件系统类型才能被挂载。
• 挂载时的识别：当用户尝试挂载一个文件系统时（如通过 mount 命令），内核会遍历 file_systems 链表，查找匹配的文件系统类型。
• 动态加载：某些文件系统（如通过模块加载的文件系统）可以在运行时动态注册和注销。例如，ntfs 文件系统可以通过加载 ntfs.ko 模块动态注册。

6、实现一个虚拟文件系统

注：程序源码一样来自李文山的《Linux驱动开发进阶》：https://gitee.com/li-shan-asked/linux-advanced-development-code/blob/master/part1/memfs/memfs.c

但上述源码是基于6.1的kernel，我实验的环境是5.x的kernel，部分接口函数会不一样。所以下面展示的源码是略有修改的。

6.1、定义文件系统结构

一般需要自定义开发文件系统时，可能才需要编写文件系统驱动程序。下图是本次要实现的虚拟文件系统结构（图片来自作者李文山的《Linux驱动开发进阶》）：

6.2、完整的驱动程序

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/atomic.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>#define MEMFS_INVALID          0xFFFFFFFF
#define MEMFS_FILE_NAME_MAX    16
#define MEMFS_INODE_MAX        128
#define MEMFS_BLK_MAX          128
#define MEMFS_FILE_SIZE_MAX    1024struct memfs_sb {uint32_t blk_size_bit;	// 块大小占用的位数uint32_t block_size;	// 数据块大小uint32_t magic;			// 文件系统魔数uint32_t private;		// 
};struct memfs_inode {char file_name[MEMFS_FILE_NAME_MAX];	// 文件名称uint32_t mode;			// 记录文件或者文件夹的读写权限uint32_t idx; 			// 记录文件或者文件夹在inode bitmap的索引节点号uint32_t child; 		// 记录当前文件夹下的目录或者文件的第一个(=MEMFS_INVALID: no child)uint32_t brother; 		// 记录当前文件或目录的同级目录或者文件(=MEMFS_INVALID: no brother)uint32_t file_size;		// uint32_t data; 			// =MEMFS_INVALID: dir    0~127: file
};struct memfs_block {char data[1024];
};struct memfs_sb g_mf_sb = {.blk_size_bit = 10,.block_size = 1024,.magic = 0x20221001,
};char g_inode_bitmap[16]={0};	// 128bit空间的一个inode bitmap, 每个bit都是一个开关量，标记着inode池中对应的inode是否已使用
char g_block_bitmap[16]={0};	// 128bit空间的一个block bitmapstatic struct memfs_inode *g_mf_inode;	// 指向inode池
static struct memfs_block *g_mf_block;	// 指向block池static struct inode_operations memfs_inode_ops;void set_bitmap(char *bitmap, uint32_t index)
{*(bitmap + (index>>3)) |= (1<< (index%8));     
}void reset_bitmap(char *bitmap, uint32_t index)
{*(bitmap + (index>>3)) &= ~(1<< (index%8));
}uint32_t get_idle_index(char *bitmap)
{uint8_t tmp;for(int i = 0; i < 16; i++)						// 循环检查16个字节{if(bitmap[i] != 0xFF) 						// 如果该字节(8个bit)存在空闲bit{tmp = bitmap[i];for(int j = 0; j<8; j++) 				// 逐位检查8个bit{if((tmp & 0x1) == 0) 				// 找到空闲bit{set_bitmap(bitmap, i*8 + j);	// 设置改bit为非空闲return i*8 + j;					// 返回下标}else {tmp >>= 1;						}}}}return MEMFS_INVALID;
}void put_used_index(char *bitmap, uint32_t index) 
{reset_bitmap(bitmap, index);
}int memfs_alloc_mem(void)
{/* 分配inode池，大小5120bytes */g_mf_inode = kzalloc(5120, GFP_KERNEL);if(!g_mf_inode)return -1;/* 分配block池，大小128KB */g_mf_block = kzalloc(128*1024, GFP_KERNEL);if(!g_mf_block)return -1;/* 初始化inode的brother和child属性 */for(int i = 0; i < MEMFS_INODE_MAX; i++){g_mf_inode[i].brother = MEMFS_INVALID;g_mf_inode[i].child = MEMFS_INVALID;}return 0;
}void memfs_free_mem(void)
{kfree(g_mf_inode);	kfree(g_mf_block);
}static int memfs_readdir(struct file *filp, struct dir_context *ctx)
{struct memfs_inode *mf_inode, *child_inode;if (ctx->pos) return 0;mf_inode = &g_mf_inode[filp->f_path.dentry->d_inode->i_ino];	if (!S_ISDIR(mf_inode->mode)) {return -ENOTDIR;}if(mf_inode->child != MEMFS_INVALID) {child_inode = &g_mf_inode[mf_inode->child];}else {return 0;}while(child_inode->idx != MEMFS_INVALID) {if (!dir_emit(ctx, child_inode->file_name, MEMFS_FILE_NAME_MAX, child_inode->idx, DT_UNKNOWN)) {return 0;}ctx->pos += sizeof(struct memfs_inode);if(child_inode->brother != MEMFS_INVALID)child_inode = &g_mf_inode[child_inode->brother];elsebreak;}return 0;
}ssize_t memfs_read_file(struct file * filp, char __user * buf, size_t len, loff_t *ppos)
{struct memfs_inode *inode;char *buffer;inode = &g_mf_inode[filp->f_path.dentry->d_inode->i_ino];	// 获取实际要操作的inodeif (*ppos >= inode->file_size)return 0;buffer = (char*)&g_mf_block[inode->data];					// 获取block池中对应位置的首地址buffer += *ppos;											// len = min((size_t)(inode->file_size - *ppos), len);if (copy_to_user(buf, buffer, len)) 						// 拷贝到用户态{return -EFAULT;}*ppos += len;												// 更新偏移return len;
}ssize_t memfs_write_file(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *ppos)
{struct memfs_inode *inode;char *buffer;inode = &g_mf_inode[filp->f_path.dentry->d_inode->i_ino];	// 获取实际要操作的inodeif (*ppos + len > MEMFS_FILE_SIZE_MAX )return 0;buffer = (char*)&g_mf_block[inode->data];					// 获取block池中对应位置的首地址buffer += *ppos;											// if (copy_from_user(buffer, buf, len)) {return -EFAULT;}*ppos += len;												// 更新偏移inode->file_size = *ppos;									// 更新文件大小return len;
}const struct file_operations memfs_file_operations = {.read = memfs_read_file,.write = memfs_write_file,
};const struct file_operations memfs_dir_operations = {.owner = THIS_MODULE,.iterate_shared = memfs_readdir,
};//dir: 当前目录的inode
//dentry：要创建的文件的dentry
//mode：要创建的文件的mode
static int memfs_do_create(struct inode *dir, struct dentry *dentry, umode_t mode)
{struct inode *inode;struct super_block *sb;struct memfs_inode *mf_inode, *p_mf_inode, *tmp_mf_inode;uint32_t idx_inode;/* 获取sb指针 */sb = dir->i_sb;/* 判断是否是目录和常规文件，如果不是，返回错误 */if (!S_ISDIR(mode) && !S_ISREG(mode)) {return -EINVAL;}if (strlen(dentry->d_name.name) > MEMFS_FILE_NAME_MAX) {return -ENAMETOOLONG;}inode = new_inode(sb);if (!inode) {return -ENOMEM;}/* 初始化现在要创建的inode的sb */idx_inode = get_idle_index(g_inode_bitmap);	// 获取一个空闲的inode，用于保存当前创建的目录或者文件的inode信息if (idx_inode == MEMFS_INVALID) {return -ENOSPC;}inode->i_sb = sb;inode->i_op = &memfs_inode_ops; 			// 初始化当前的inode的opsinode->i_atime = inode->i_mtime = inode->i_ctime = current_time(inode);	// 初始化创建时间和修改时间为当前时间inode->i_ino = idx_inode;mf_inode = &g_mf_inode[idx_inode];			// mf_inode->idx = idx_inode;					// mf_inode->mode = mode;/* 接下来都是inode的初始化 */if (S_ISDIR(mode)) 							// 如果创建的是一个文件，则分配一个block，如果是一个目录则不用分配block{mf_inode->data = MEMFS_INVALID;inode->i_fop = &memfs_dir_operations;} else if (S_ISREG(mode)) {mf_inode->child = MEMFS_INVALID;mf_inode->file_size = 0;inode->i_fop = &memfs_file_operations;mf_inode->data = get_idle_index(g_block_bitmap);if(mf_inode->data == MEMFS_INVALID) {return -ENOSPC;}}p_mf_inode = &g_mf_inode[dir->i_ino];		// 获取当前新创建的父目录节点if(p_mf_inode->child == MEMFS_INVALID) 		// 当前目录为空目录{ p_mf_inode->child = mf_inode->idx;		// 父目录节点的child直接指向现在要创建的inode}else 										// 非空目录，找到最后一个child{ tmp_mf_inode = &g_mf_inode[p_mf_inode->child];			// 第一个childwhile(tmp_mf_inode->brother != MEMFS_INVALID) {tmp_mf_inode = &g_mf_inode[tmp_mf_inode->brother];	// 找到父目录最后一个child}tmp_mf_inode->brother = mf_inode->idx;					// 最后一个child，并设置brother}strcpy(mf_inode->file_name, dentry->d_name.name);			// 初始化内核的dentry名称inode_init_owner(inode, dir, mode);							// 添加inode到dir中d_add(dentry, inode);										// 绑定内核dentry与inodereturn 0;
}static int memfs_inode_mkdir(struct inode *dir, struct dentry *direntry, umode_t mode)
{return memfs_do_create(dir, direntry, S_IFDIR | mode);
}static int memfs_inode_create(struct inode *dir, struct dentry *direntry, umode_t mode,bool excl)
{return memfs_do_create(dir, direntry, mode);
}//parent_inode: 父目录节点
//find_dentry: 要查找的dentry
static struct dentry *memfs_inode_lookup(struct inode *parent_inode, struct dentry *find_dentry, unsigned int flags)
{return NULL;
}//删除空目录
//dentry: 待删除空目录的dentry
int memfs_inode_rmdir(struct inode *dir, struct dentry *dentry)
{uint32_t index = dentry->d_inode->i_ino;					// 待删除的空目录的inode下标struct memfs_inode *p_mf_inode, *child_mf_inode, *tmp_mf_inode;if(g_mf_inode[index].child != MEMFS_INVALID)				// 如果是非空目录，返回错误return -ENOTEMPTY;p_mf_inode = &g_mf_inode[dir->i_ino];						// 获取当前目录inodechild_mf_inode = &g_mf_inode[p_mf_inode->child];			// 获取父目录inode的第一个childput_used_index(g_inode_bitmap, index);if(p_mf_inode->child == index) 								// 如果要删除的空目录是父目录的第一个child{if(child_mf_inode->brother == MEMFS_INVALID)			// 如果当前node没有brother了p_mf_inode->child = MEMFS_INVALID;					// 那么父目录inode也不会有childelsep_mf_inode->child = child_mf_inode->brother;		// 否则父目录inode指向当前inode的brother}else 														// 如果要删除的空目录不是父目录的第一个child{while(child_mf_inode->idx != MEMFS_INVALID) {if(child_mf_inode->brother != MEMFS_INVALID) {tmp_mf_inode = child_mf_inode;child_mf_inode = &g_mf_inode[child_mf_inode->brother];			// 获取brotherif(child_mf_inode->idx == index) 								// 找到待删除的空目录了{	if(child_mf_inode->brother != MEMFS_INVALID)				tmp_mf_inode->brother = child_mf_inode->brother;		// 在链表关系中，移除了待删除的这个空目录elsetmp_mf_inode->brother = MEMFS_INVALID;break;}}}}g_mf_inode[index].idx = MEMFS_INVALID;g_mf_inode[index].brother = MEMFS_INVALID;return simple_unlink(dir, dentry);
}//删除文件操作
int memfs_inode_unlink(struct inode *dir, struct dentry *dentry) 
{uint32_t index = dentry->d_inode->i_ino;struct memfs_inode *p_mf_inode, *child_mf_inode, *tmp_mf_inode;p_mf_inode = &g_mf_inode[dir->i_ino];//获取第一个childchild_mf_inode = &g_mf_inode[p_mf_inode->child];put_used_index(g_inode_bitmap, index);put_used_index(g_block_bitmap, g_mf_inode[index].data);if(p_mf_inode->child == index) {if(child_mf_inode->brother == MEMFS_INVALID)p_mf_inode->child = MEMFS_INVALID;elsep_mf_inode->child = child_mf_inode->brother;}else {while(child_mf_inode->idx != MEMFS_INVALID) {if(child_mf_inode->brother != MEMFS_INVALID) {tmp_mf_inode = child_mf_inode;child_mf_inode = &g_mf_inode[child_mf_inode->brother];if(child_mf_inode->idx == index) {if(child_mf_inode->brother != MEMFS_INVALID)tmp_mf_inode->brother = child_mf_inode->brother;elsetmp_mf_inode->brother = MEMFS_INVALID;break;}}}}g_mf_inode[index].idx = MEMFS_INVALID;g_mf_inode[index].brother = MEMFS_INVALID;return simple_unlink(dir, dentry);
}static struct inode_operations memfs_inode_ops = {.create = memfs_inode_create,		// 在dentry下创建一个inode.lookup = memfs_inode_lookup,		// 在dentry下查找inode.mkdir = memfs_inode_mkdir,			// 在dentry下创建一个目录inode.rmdir = memfs_inode_rmdir,			// 在dentry下删除一个inode.unlink = memfs_inode_unlink,		// 删除文件
};/* 每挂载一个块设备，都需要初始化相应的超级块，* 该函数就是初始化超级块。*/
static int memfs_demo_fill_super(struct super_block *sb, void *data, int silent)
{struct inode *root_inode;int mode = S_IFDIR | 0755;root_inode = new_inode(sb);						// 新建inode，用于保存根节点root_inode->i_ino = 0; 							// 设置根节点的编号为0root_inode->i_mode = mode;						// 初始化根节点权限root_inode->i_sb = sb;							// 设置根节点的超级块root_inode->i_op = &memfs_inode_ops;			// 设置根节点的节点操作集合root_inode->i_fop = &memfs_dir_operations;		// 设置根节点目录操作集合root_inode->i_atime = root_inode->i_mtime = root_inode->i_ctime = current_time(root_inode); //设置根节点的创建修改时间为当前时间/* 初始化inode池中的第0个inode，第0个inode就是根节点 */strcpy(g_mf_inode[0].file_name, "memfs");		 g_mf_inode[0].mode = mode;g_mf_inode[0].idx = 0;g_mf_inode[0].child = MEMFS_INVALID;g_mf_inode[0].brother = MEMFS_INVALID;set_bitmap(g_inode_bitmap, g_mf_inode[0].idx);	// 置inode bitmap的第0位为1root_inode->i_private = &g_mf_inode[0]; 		// 将根节点保存到root_inode的私有数据中/* 初始化磁盘的描述信息(super block) */sb->s_root = d_make_root(root_inode);			// 设置上面分配的inode为根目录	sb->s_magic = g_mf_sb.magic;					// 文件系统魔数sb->s_blocksize_bits = g_mf_sb.blk_size_bit;	// 页大小所占的位数为12sb->s_blocksize = g_mf_sb.blk_size_bit;			// 页大小为1024Bytesreturn 0;
}static struct dentry *memfs_demo_mount(struct file_system_type *fs_type, int flags, const char *dev_name, void *data)
{return mount_nodev(fs_type, flags, data, memfs_demo_fill_super);
}static void memfs_kill_sb(struct super_block *sb) 
{kill_anon_super(sb);
}/* 文件系统类型 */
static struct file_system_type memfs_type = {.owner 		= THIS_MODULE,.name		= "memfs",				// 文件系统名字.mount      = memfs_demo_mount,		// 挂载文件系统时，所执行的函数.kill_sb	= memfs_kill_sb,		// 卸载文件系统时，所执行的函数
};static int __init memfs_demo_init(void)
{/* 分配inode池和block池 */if(memfs_alloc_mem()){printk(KERN_ERR "alloc memory failed\n");return -ENOMEM;}/* 注册文件系统 */return register_filesystem(&memfs_type);
}static void __exit memfs_demo_exit(void)
{/* 释放inode池和block池 */memfs_free_mem();/* 卸载文件系统 */unregister_filesystem(&memfs_type);
}module_init(memfs_demo_init);
module_exit(memfs_demo_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("1477153217@qq.com");
MODULE_DESCRIPTION("memory fs demo");
MODULE_ALIAS("fs:memfs");
MODULE_IMPORT_NS(VFS_internal_I_am_really_a_filesystem_and_am_NOT_a_driver);

Makefile如下：

KERN_DIR = /home/cohen/sdk/docker/rk356x-sdk/kernel/all:make -C $(KERN_DIR) M=$(PWD) modulesclean:make -C $(KERN_DIR) M=$(PWD) cleanrm -f modules.order obj-m	+= my_memfs.occflags-y += -std=gnu99

6.3、测试

1. 将编译好的驱动程序拷贝到板卡，安装驱动：

insmod my_memfs.ko

此时，已经将一个名为memfs的虚拟文件系统注册进了内核。

2. 挂载文件系统：

# -t 表示文件系统的类型
# none 表示没有IO设备
# /mnt 为挂载点
mount -t memfs none /mnt

3. 进入/mnt，创建文件：

4. 创建目录：

5. 删除空目录：

6. 删除文件：