Zhiwei Zhang included in Notes

2022-10-11 2022-10-11 177 words One minute

Contents

0x00 基本概念

文件的基本概念，包含信息的比特流/块，计算机往往需要处理远高于主存容量的数据，需要使用文件来保存；文件的生命周期更长，不能存储在堆栈中；对文件的数据/信息对外进行分享的媒介。可以用于进程间的信息共享，自由性和容量上都优于共享内存的方式。

文件系统的功能

Namespace 命名空间

存储管理

空间管理：存储空间的分配和管理（管理空闲的块）
文件块管理：逻辑地址与存储物理地址的映射（logical offset—Physical Block number）

数据保护

文件出现坏块
灾备

可靠性/一致性

0x01 用户视角

文件目录操作

文件操作：

Create/Delete
Open/Close 返回File Handle
Read/Write
Append 追加写入
Seek 移动文件指针 offset
Getattr/Setattr 读取/修改inode中保存的文件信息
Rename

目录操作：

Createdir/rmdir
Link 软链接、硬链接讲目录项目指向文件的inode
Unlink
Readdir 读取子目录以及目录项
Rename

文件目录的构成

文件的组成：

文件内容，字节序列
文件的元数据metadata，文件控制块，Unix系统中称为inode(index node)

目录的组成：

本质是一种特殊的文件，内容是子目录、文件等目录项目
目录也有inode

File Handle

创建原文件的一个实例对象，对其进行读写，Offset可以共享给两个File Handle，也可以每个File Handle独有各自的Offset。

Linux VFS中为文件描述符fd，对应一个File Object，包含文件的信息，文件系统管理dentry、inode的缓存，用于查找文件在磁盘上的位置。关于Linux VFS的内容，计划再单独开个博客记录一下。

File Control Block (Inode)

每个文件唯一的id，包含以下结构

Block的信息，文件在磁盘上的位置
数据大小
Ctime创建时间，utime更新时间，access time最后一次访问时间
所有者信息，ACL(access control lists)访问控制
链接情况统计

Dirent - Directory Entry

每个目录项的结构

类型	大小	字段	描述
__le32	4bytes	Inode	inode编号
__le16	2bytes	Rec_len	目录项的长度
__u8	2bytes	Name_len	文件名长度
__u8	2bytes	File_type	文件类型
char[EXT2_NAME_LEN]	最大255个字符	Name	文件名

所有目录都包含的目录项包括当前目录和上级目录:.,..

要对文件名进行4字节对齐，后面补\0

所有目录项顺序拼接组成目录信息，在进行查询时可以使用rec_len来计算偏移量，便于查找目录中的文件（顺序遍历）

目录树

目录树的结构如下图所示，每个目录都有自己的inode，同时还有direntry，对其中的子目录可以构建子树，文件可以建立文件子节点

根据Pathname查找文件的过程

从根目录/开始查询，解析出要查询的项目
获取当前目录的目录项（可能在内存中，也可能要向磁盘请求）
比对相应的纪录是否存在于目录项中，比对成功则获取其inode

查找过程中需要考虑的问题：

检查权限：在每级目录查找时，需要检查是否有对当前目录进行访问的权限，然后才能继续进行操作
检测是否为软链接/符号链接(Symbolic link)：目录项可能指向同一个inode，防止出现循环链接
检测是否挂载了其他文件系统，文件名可以是挂在文件系统的挂载点，若出现此类情况需要进入新的文件系统进行查找

Access Control Lists 访问控制

基本ACL纪录内容：

记录类型	格式
Owner	user::rwx
Owning Group	group::rwx
Others	other::rwx

rwx为掩码形式，使用三位八进制，777为可读可写可执行，系统调用为chmod

在文件系统中有扩展ACL，记录内容为：

记录类型	格式
Owner	user::rwx
Named User	user:name:rwx
Owning Group	group::rwx
Named Group	group:name:rwx
Mask	mask::rwx
Others	other::rwx

对于文件的访问权限通过Named User，Owning Group和Named Group进行授权，同时可以使用Mask设置掩码对权限进行控制，例如有权限r-x，对于Mask:mask::rw-，最终的操作权限为r--，将掩码和权限进行与操作

不同文件系统有对ACL不同的扩展和实现

Example

int fd = open("/foo/bar.txt", RO)

查找文件的inode
1. 在根目录查找foo目录
2. 读取foo目录的内容
3. 在foo目录中查找bar
4. 每次查询先在缓存中进行查找
为inode创建vnode结构
1. 判断inode是否在inode cache中，若不在则需要从磁盘中请求
2. 请求后创建vnode缓存
初始化File Object
生成fd，填充数据信息
返回fd给进程

【存储系统】文件系统