怎样进行Linux内核文件系统的分析

怎样进行Linux内核文件系统的分析，相信很多没有经验的人对此束手无策，为此本文总结了问题出现的原因和解决方法，通过这篇文章希望你能解决这个问题。

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Linux内核存储栈

1. 总览

内核存储栈从上到下主要分为三层：1. VFS 2.Block layer 3.驱动

1. 简单介绍

这张图来自https://blog.vmsplice.net/2020/04/how-linux-vfs-block-layer-and-device.html。主要介绍了内核中存储栈几个重要的数据结构之间的连接关系。VFS层数据结构struct block_device连接着快层数据结构struct gendisk。块层接收到VFS的请求发送到request_queue，驱动最后会响应该请求，操作最后的物理设备。

2.1 VFS层

• VFS为不同的底层文件系统（ext4，XFS，NFS等）提供了一个接口层。

• open，read等系统调用由VFS处理，然后分发给相应struct file_operations的处理函数。

• 块设备使用struct block_device表示，VFS层数据结构。struct block_device使用块层数据结构struct gendisk和struct request_queue连接VFS inode和struct file_operations接口。

• block device nodes如/dev/sda在fs/block_dev.c中实现，提供了桥的作用，连接VFS和Linux block layer。块层处理实际的IO请求，并且知道磁盘的特定信息，如磁盘容量，块大小等。

2.2 Block layer层

• 每一个磁盘使用数据结构struct gendisk表示，struct hd_struct表示磁盘分区。

• 总是存在part0分区，表示整个磁盘

• IO请求队列使用struct request_queue表示

2.3 驱动层

• 磁盘设备驱动程序向块层注册struct genhd，并设置struct request_queue以接收需要提交给物理设备的请求。

• 即使用户空间可能为磁盘上的多个分区打开struct block_device实例，整个设备也只有一个struct genhd。

• 驱动层看不到磁盘分区，因为IO请求已经根据分区的起始位置偏移做了逻辑地址的调整处理

VFS连接着块层struct gendisk。设备驱动连接着块层和VFS层struct block_device。块层和其他两层没有直接联系，只是有驱动层注册的回调函数。

1. 详细介绍

内核中的I/O流所经过的组件如下图所示：

这里列出一张内核中存储栈中主要数据结构之间的关联关系图。

这里追踪一个从用户空间出发的read函数调用的数据流，来分析从内核到驱动最终到物理设备硬件的过程。

3.1 内核执行系统调用sys_read响应用户空间的read操作。

3.2 在VFS层调用vfs_read通用的文件系统read接口。这里会根据具体的文件系统类型调用相应的read函数。

3.3 这里以ext4文件系统为例。会执行ext4_file_read_iter。

3.4 VFS层最主要的数据结构式bio，它定义的一系列对文件操作的具体行为。在构造了相应的bio数据结构后，会调用ext4_file_read_iter将请求提交到块层。

3.5 块层收到请求后会根据文件系统是否有定义自己的submit_bio函数来调用自定义函数还是通用submit_bio。ext4文件系统调用的是通用submit_bio。

3.6 块层对于VFS的请求不会直接提交到设备驱动去执行。而是会做合并的延迟处理，因为在物理磁盘上的寻到处理是十分耗时的操作。对于可以与请求队列中的请求进行合并的操作，会首先进行合并。否则会插入请求队列中。内核对于I/O调度有多种不同的算法：1.电梯调度 2. 最后期限算法 3. CFQ完全公平队列算法 4.预期算法 5.No Operations算法。

3.7 最后会调用驱动的queue_rq方法，将请求发送给驱动程序。不同的驱动会注册不同的queue_rq方法。这里以iscsi驱动程序为例。调用执行scsi_queue_rq方法。

3.8 scsi_queue_rq会构造请求cmd，然后调用scsi_dispatch_cmd，分发cmd到底层驱动。

3.9 之后根据不同的底层设备类型，调用相应的queuecommand函数执行cmd命令。

内核的存储栈中，块层起着承上启下的作用。北向承接VFS的发送过来的IO请求，南向对接设备驱动程序，提交请求到设备驱动。这当中比较重要的几个点是：1. 块层对于I/O请求的合并优化处理。这块对于I/O的性能的影响巨大。2. 对于页高速缓存的处理。设计到如何将磁盘数据导入到内存，以及inode等数据结构如何操作访问页数据。对于很多细节好有待分析。

看完上述内容，你们掌握怎样进行Linux内核文件系统的分析的方法了吗？如果还想学到更多技能或想了解更多相关内容，欢迎关注创新互联行业资讯频道，感谢各位的阅读！