1.前言

• 環(huán)境：處理器架構(gòu)：arm64內(nèi)核源碼：linux-5.11ubuntu版本：20.04.1代碼閱讀工具：vim+ctags+cscope

我們知道，Linux系統(tǒng)中我們經(jīng)常將一個塊設備上的文件系統(tǒng)掛載到某個目錄下才能訪問這個文件系統(tǒng)下的文件，但是你有沒有思考過：為什么塊設備掛載之后才能訪問文件？掛載文件系統(tǒng)Linux內(nèi)核到底為我們做了哪些事情？是否可以不將文件系統(tǒng)掛載到具體的目錄下也能訪問？下面，本文將詳細講解Linxu系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)掛載的奧秘。 注：本文主要講解文件系統(tǒng)掛載核心邏輯，暫不涉及掛載命名空間和綁定掛載等內(nèi)容（后面的內(nèi)容可能會涉及），且以ext2磁盤文件系統(tǒng)為例講解掛載。本專題文章分為上下兩篇，上篇主要介紹掛載全貌以及具體文件系統(tǒng)的掛載方法，下篇介紹如何通過掛載實例關(guān)聯(lián)掛載點和超級塊。

2. vfs 幾個重要對象

在這里我們不介紹整個IO棧，只說明和文件系統(tǒng)相關(guān)的vfs和具體文件系統(tǒng)層。我們知道在Linux中通過虛擬文件系統(tǒng)層VFS統(tǒng)一所有具體的文件系統(tǒng)，提取所有具體文件系統(tǒng)的共性，屏蔽具體文件系統(tǒng)的差異。VFS既是向下的接口（所有文件系統(tǒng)都必須實現(xiàn)該接口），同時也是向上的接口（用戶進程通過系統(tǒng)調(diào)用最終能夠訪問文件系統(tǒng)功能）。 下面我們來看下，vfs中幾個比較重要的結(jié)構(gòu)體對象：

2.1 file_system_type

• 這個結(jié)構(gòu)來描述一種文件系統(tǒng)類型，一般具體文件系統(tǒng)會定義這個結(jié)構(gòu)，然后注冊到系統(tǒng)中；定義了具體文件系統(tǒng)的掛載和卸載方法，文件系統(tǒng)掛載時調(diào)用其掛載方法構(gòu)建超級塊、跟dentry等實例。

• 文件系統(tǒng)分為以下幾種：

1）磁盤文件系統(tǒng)

文件在非易失性存儲介質(zhì)上(如硬盤，flash)，掉電文件不丟失。 如ext2,ext4,xfs

2）內(nèi)存文件系統(tǒng)

文件在內(nèi)存上，掉電丟失。

如tmpfs

3）偽文件系統(tǒng)

是假的文件系統(tǒng)，是利用虛擬文件系統(tǒng)的接口（可以對用戶可見如proc、sysfs,也可以對用戶不可見內(nèi)核可見如sockfs,bdev）。

如proc,sysfs,sockfs,bdev

4）網(wǎng)絡文件系統(tǒng)

這種文件系統(tǒng)允許訪問另一臺計算機上的數(shù)據(jù)，該計算機通過網(wǎng)絡連接到本地計算機。

如nfs文件系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h +2226

2.2 super_block

超級塊，用于描述塊設備上的一個文件系統(tǒng)總體信息（如文件塊大小，最大文件大小，文件系統(tǒng)魔數(shù)等），一個塊設備上的文件系統(tǒng)可以被掛載多次，但是內(nèi)存中只能有個super_block來描述（至少對于磁盤文件系統(tǒng)來說）。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h +1414

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2.3 mount

掛載描述符，用于建立超級塊和掛載點等之間的聯(lián)系，描述文件系統(tǒng)的一次掛載，一個塊設備上的文件系統(tǒng)可以被掛載多次，每次掛載內(nèi)存中有一個mount對象描述。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：fs/mount.h +39

2.4 inode

索引節(jié)點對象，描述磁盤上的一個文件元數(shù)據(jù)（文件屬性、位置等），有些文件系統(tǒng)需要從塊設備上讀取磁盤上的索引節(jié)點,然后在內(nèi)存中創(chuàng)建vfs的索引節(jié)點對象，一般在文件第一次打開時創(chuàng)建。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h +610

2.5 dentry

目錄項對象，用于描述文件的層次結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)建文件系統(tǒng)的目錄樹，文件系統(tǒng)將目錄當作文件，目錄的數(shù)據(jù)由目錄項組成，而每個目錄項存儲一個目錄或文件的名稱和索引節(jié)點號等內(nèi)容。每當進程訪問一個目錄項就會在內(nèi)存中創(chuàng)建目錄項對象（如ext2路徑名查找中，通過查找父目錄數(shù)據(jù)塊的目錄項，找到對應文件/目錄的名稱，獲得inode號來找到對應inode）。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/dcache.h +90

2.6 file

文件對象，描述進程打開的文件，當進程打開文件時會創(chuàng)建文件對象加入到進程的文件打開表，通過文件描述符來索引文件對象，后面讀寫等操作都通過文件描述符進行（一個文件可以被多個進程打開，會由多個文件對象加入到各個進程的文件打開表，但是inode只有一個）。

結(jié)構(gòu)體定義源碼路徑：include/linux/fs.h +915

3. 掛載總體流程

3.1系統(tǒng)調(diào)用處理

用戶執(zhí)行掛載是通過系統(tǒng)調(diào)用路徑進入內(nèi)核處理，拷貝用戶空間傳遞參數(shù)到內(nèi)核，掛載委托do_mount。 //fs/namespace.c SYSCALL_DEFINE5(mount

參數(shù)：

3.2 掛載點路徑查找

3.3 參數(shù)合法性檢查

參數(shù)合法性檢查， 新掛載委托do_new_mount path_mount -> 參數(shù)合法性檢查 -> 根據(jù)掛載標志調(diào)用不同函數(shù)處理 這里講解是默認 do_new_mount

3.4 調(diào)用具體文件系統(tǒng)掛載方法

來看下文件系統(tǒng)類型沒有實現(xiàn)init_fs_context接口的情況：

繼續(xù)往下走：

3.5 掛載實例添加到全局文件系統(tǒng)樹

下面主要看下vfs_get_tree和do_new_mount_fc：

4.具體文件系統(tǒng)掛載方法

來看下ext2對掛載的處理：

啟動階段初始化->

掛載時調(diào)用->

ext2_mount通過調(diào)用mount_bdev來執(zhí)行實際文件系統(tǒng)的掛載工作，ext2_fill_super的一個函數(shù)指針作為參數(shù)傳遞給get_sb_bdev。該函數(shù)用于填充一個超級塊對象，如果內(nèi)存中沒有適當?shù)某墘K對象，數(shù)據(jù)就必須從硬盤讀取。

mount_bdev是個公用的函數(shù)，一般磁盤文件系統(tǒng)會使用它來根據(jù)具體文件系統(tǒng)的fill_super方法來讀取磁盤上的超級塊并在創(chuàng)建內(nèi)存超級塊。

我們來看下mount_bdev的實現(xiàn)（**它執(zhí)行完成之后會創(chuàng)建vfs的三大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) super_block、根inode和根dentry **）：

2）mount_bdev源碼分析

可以看到mount_bdev主要是：

1.根據(jù)要掛載的塊設備文件名查找到對應的塊設備描述符（內(nèi)核后面操作塊設備都是使用塊設備描述符）；

2.首先在文件系統(tǒng)類型的fs_supers鏈表查找是否已經(jīng)讀取過指定的vfs超級塊，會對比每個超級塊的s_bdev塊設備描述符，沒有創(chuàng)建一個vfs超級塊;

3.新創(chuàng)建的vfs超級塊，需要調(diào)用具體文件系統(tǒng)的fill_super方法來讀取填充超級塊。

那么下面主要集中在具體文件系統(tǒng)的fill_super方法，這里是ext2_fill_super：

分析重點代碼如下：

3）ext2_fill_super源碼分析

可以看到ext2_fill_super主要工作為：

1.讀取磁盤上的超級塊；

2.填充并關(guān)聯(lián)vfs超級塊；

3.讀取塊組描述符；

4.讀取磁盤根inode并建立vfs 根inode;

5.創(chuàng)建根dentry關(guān)聯(lián)到根inode。

下面給出ext2_fill_super之后ext2相關(guān)圖解：

有了這些信息，雖然能夠獲得塊設備上的文件系統(tǒng)全貌，內(nèi)核也能通過已經(jīng)建立好的block_device等結(jié)構(gòu)訪問塊設備，但是用戶進程不能真正意義上訪問到，用戶一般會通過open打開一個文件路徑來訪問文件，但是現(xiàn)在并沒有關(guān)聯(lián)掛載目錄的路徑，需要將文件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)到掛載點，以至于路徑名查找的時候查找到掛載點后，在轉(zhuǎn)向文件系統(tǒng)的根目錄，而這需要通過do_new_mount_fc來去關(guān)聯(lián)并加入全局的文件系統(tǒng)樹中,下一篇深入剖析Linux文件系統(tǒng)之文件系統(tǒng)掛載(二)（超詳細~） - 知乎 (zhihu.com)我們將做詳細講解。