Das virtuelle Dateisystem von Linux (VFS) Idee: uniformer Zugriff auf unterschiedliche Dateisysteme

Programm (cp, rm)

VFS

ext2

Block Device

NTFS

Block Device

NFS

Netzwerk

Arten von Dateisystemen: • plattenbasiert (Disc, CD, HD) • NW-basiert (NFS) • besondere (proc) Transparente Einbindung in globale Verzeichnisstruktur (/home/troll, /cdrom)

Allgemeine Objekte im VFS • Superblock – speichert Informationen über ein Dateisystem

• Inode – speichert Informationen über eine Datei – jeder Inode besitzt eine eindeutige Nummer

• Fileobject – speichert Information zur Interaktion zwischen einer geöffneten Datei und einem Prozess – existiert nur zur Laufzeit im Kernelspeicher

• Dentry – speichert die Verbindung zwischen einem Verzeichniseintrag und der Datei

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Interaktion von VFS Objekten i_sb

superblock

Storage Device

inode Hardlink

proc1

fd

File object

f_dentry

d_inode dentry

proc2

fd

File object

f_dentry

dentry Dentry cache

Superblock-Objekt (struct super_block, include/linux/fs.h) • Verwaltung aller Superblöcke in einer Liste Superblock enthält: • struct file_system_type s_type • unsigned long s_blocksize • struct dentry s_root Wurzel des Dateisystems • struct super_operations s_op Speicherung dateisystemspezifischer Informationen in: union { struct minix_sb_infominix_sb; struct ext2_sb_info ext2_sb; ... } u;

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Superblock-Operations • read_inode(inode) // inode.i_no ist gesetzt füllt die inode Struktur mit den gespeicherten Daten • write_inode(inode) • put_inode(inode) gibt die Struktur zur Wiederverwendung frei • delete_inode(inode) löscht Struktur und die gespeicherten Daten • write_super(super) speichert die Superblock-Struktur • remount_fs(super,flags,data) bindet Dateisystem mit geänderten Parametern neu ein

Inode-Objekt (include/linux/fs.h) • 1 Datei hat genau 1 Inode • Dateiname ist nicht im Inode enthalten Listen: • aktuell nicht benutzte Inodes • aktuell benutzte Inodes • Inkonsistente Inodes (d.h. noch nicht gespeichert) Inode enthält: • allgemeine Info. (Besitzer, Zugriffsrechte, Operationen) • DS-spezifische Information in einer Union (wie bei Superblock)

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Inode-Operationen (include/linux/fs.h) • create(dir,dentry,mode) erzeugt neuen Inode in dir für dentry->d_name • lookup(dir,dentry) sucht in dir eine Datei mit dentry->d_name • mkdir(dir,dentr) legt ein Verzeichnis in dir an über inode.i_mapping.address_space_operations • readpage(struct file *f,struct page *pg) liest eine Page aus einer Datei in Speicher • writepage(file,ps)

File-Objekt (struct file) • Ist transient, zum prozessseitigen Zugriff auf Dateien • verwaltet einen Positionszeiger Enthält nur allgemeine (=uniforme) Informationen, z.B: • f_dentry • f_mode Zugriffsmodus des Prozesses (RWC) • f_count Benutzungszähler (z.B. für Threads) • f_uid, f_guid • struct file_operations *op Listen: • aktuell benutzte Fileobjekte • aktuell ungenutzte Fileobjekte

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File-Objekt-Operationen (struct file_operations) • lseek(file,off,whence) aktualisiert den Positionszeiger (wie Systemaufruf) • read(file,buff,count,off) • write(file,buf,count,off) • ioctl(inode,file,cmd,arg) sendet ein Kommando an das entsprechende Gerät • mmap(file, struct vm_area_struct *vma) bildet die Datei auf Speicher ab • open(inode,file) öffnet Datei und generiert neues Fileobjekt • fsync(file,dentry) sichert alle gecachten Daten • flush(file) wird aufgerufen, wenn (Benutzungszähler = 0); Semantik hängt vom Dateisystem ab

Verzeichnisse • Verzeichnisse sind gewöhnliche Dateien • Aus dem Inhalt einer Verzeichnisdatei lassen sich dentryObjekte erzeugen. • Zugriff mit (in file_operations) int readdir(struct file *,void *dirent, filldir_t fill_fct)

füllt mit fill_fct die Struktur dirent • Sonderbehandlung für nebenläufigen Zugriff auf Verzeichnisdateien – keine Sperrung bei Lese-/Schreibzugriffen (würde alle Unterverzeichnisse sperren) – global_event dient als Zeitstempel im Inode und im Fileobjekt – readdir überprüft global_event und veranlasst evtl. Aktualisierung

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Dentry-Objekt (struct dentry, include/linux/dcache.h) • • • • • • •

Abbildung: Dateiname -> Inode Enthält u.a.: d_inode d_name d_subdirs struct superblock *d_sb d_parent existiert für alle gültigen D-Objekte außer der Wurzel • struct dentry d_covers zeigt auf Mountpoint (s.sp.)

Einbinden eines Dateisystems (Mounten) • Registrierung des Dateisystems mit int register_filesystem(struct file_system_type *ft)

(ft enthält u.a. Name, Zugriff auf Superblock) • Einbinden durch Einhängen in den Dentry-Objekten Vor dem Einbinden /

Nach dem Einbinden d_covers

/

mnt

mnt

d_covers

d_mounts

s_root

sb d_mounts

Verzeichnisbaum unter mnt wird verdeckt.

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Blockorientierte Geräte 2 Arten von Geräten (plus Spezialgeräte) • zeichenorientiert: zeichenweises Lesen/Schreiben (z.B. Maus, Drucker) • blockorientiert: Verwaltung von Datenblöcken mit direktem Zugriff, wird i.A. für Dateisysteme genutzt (z.B. Festplatte) Uniformer Zugriff auf blockorientierte Geräte mit VFS • => Einsatz von Dateisystemen für unterschiedlichste Endsysteme • struct buffer_head ist Puffer + Verwaltungsinformation + Synchronisationsmechanismen • Lesen/Schreiben von Blöcken (drivers/block/ll_rw_block.c) void ll_rw_block(int rw, int nr, struct buffer_head * bh[])

Lesen/Schreiben einer regulären Datei • Lesen/Schreiben von Dateien immer in Pages (s. Speicherverwaltung) • VFS bietet Standardfunktionen an, um auf Pages mit den üblichen Lese-/Schreibfunktionen zuzugreifen (Signaturen in include/linux/fs.h, Implementierungen in mm/filemap.c) generic_file_read() generic_file_write()

• Dateien lassen sich auf Speicher abbilden, Standardfunktion: generic_file_mmap()

• Einsatz dieser Standardfunktionen in file_operations

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Das Ext2 Dateisystem • Linux nutzte zuerst das Minix-FS, dann Extended-FS und jetzt ext2 (ext3 ist in Arbeit) Einige Eigenschaften: • Freie Wahl der Blockgröße bei der Formatierung, der Menge an Inodes • Blöcke sind in Gruppen eingeteilt (erleichtert Suche) • Präallokation von Blöcken für Files • Automatische Konsistenzüberprüfung • Nichtveränderbare Dateien, bzw. Dateien, an die nur angehängt werden kann

Layout des ext2 Dateisystems Boot Block

Block Group 0

...

Super Group Data block Inode Inode Block Descriptors Bitmap Bitmap Table

Block Group N

Data Blocks

Jede Gruppe hat eine Kopie des Superblocks.

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Datenstrukturen+Implementierung • Persistente Datenstrukturen (in include/linux/ext2_fs.h) ext2_superblock ext2_inode ext2_group_desc ext2_inode_table • Transiente Datenstrukturen (über Union u in allgemeine Strukturen integriert, in .../ext2_fs_i.h und .../ext2_fs_sb.h) ext2_sb_info ext2_inode_info • Funktionen sind in fs/ext2/*.c definiert.

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