vfs
2015-10-19
vfs 介绍
Unix 的设计哲学就是 一切皆文件，但是由于存在多种文件系统，如 FAT，ZFS，btrfs 等，
为了保证用户层的视图统一， 就出现了 VFS。
vfs 相关 API
首先我们来看看于文件系统相关的一些对象，和对应的数据结构：
- 文件对象：file
- 挂载文件系统：
- vfsmount：挂载点
- super_block：文件系统
- 文件系统操作：super_operations
- 文件或者目录：dentry
- 文件或者目录操作：
- file_operations：文件操作
- inode_operaions：inode 操作
- address_space_operations：数据和 page cache 操作
看完相关的数据结构，我们来看看各个结构是如何组织的：
我们根据上图来解释一下各个数据结构：
- 通过 task_struct 结构可以间接的访问到打开的文件列表，这个文件列表是一个数组， 数据的索引即我们常说的 file descriptor，数据的每个元素为 file 文件对象指针， 上图可以注意到 f_mode 表明一个进程可以同时打开同一个文件两次， 一次为 O_RDONLY，一次为 O_RDONLY。
- 一个文件可以通过两个对象来表示：
- inode：表示自身的信息，如 i_uid，i_gid。
- dentry：表示该文件的目录信息。
- linux 中的文件可以有多种，多个文件系统通过挂载点对象 vfsmount 来区分。
我们可以通过下面的 systemtap 脚本来验证上面的这个图中的信息：
stap -e '
probe syscall.read {
file = @cast(task_current(), "task_struct")->
files->fdt->fd[fd] & ~3;
if(!file)
next;
dentry = @cast(file, "file")->f_path->dentry;
inode = @cast(dentry, "dentry")->d_inode;
printf("READ %d: file '%s' of size '%d' on device %s\n",
fd, d_name(dentry), @cast(inode, "inode")->i_size,
kernel_string(@cast(inode, "inode")->i_sb->s_id));
} ' -c 'cat /etc/passwd > /dev/null'
看完了 vfs 在 linux kernel 中的代码结构，我们来看看 vfs 使用时，kernel 内部都做了些什么操作：
- open：open system call 将创建一个 file 对象，并且在 open files tables 中分配一个索引。 在这个之前，还会做一些其他的工作，首先通过查找 dentry cache 来确定这个 file 存在的位置。 其次还包括一些鉴权工作。
- write：由于 block I/O 非常耗时，所有 linux 会使用 page cache 来缓存每次 read file 的内容， 当 write system call 时，系统将这个 page 标记为 dirty，并且将这个 page 移动到 dirty list 上， 系统会定时将这些 page flush 到磁盘上。
vfs in systemtap
我们首先来看看 vfs 在 systemtap 中的已经定义的一些别名：
[root@docker221 tapset]# pwd
/usr/share/systemtap-2.9-3823/share/systemtap/tapset
[root@docker221 tapset]# grep 'probe vfs' -R linux/vfs.stp
probe vfs.do_sync_read = kernel.function("do_sync_read") !,
probe vfs.do_sync_read.return = kernel.function("do_sync_read").return !,
probe vfs.do_sync_write = kernel.function("do_sync_write") !,
probe vfs.do_sync_write.return = kernel.function("do_sync_write").return !,
probe vfs.block_sync_page = kernel.function("block_sync_page") ?
probe vfs.block_sync_page.return = kernel.function("block_sync_page").return ?
probe vfs.buffer_migrate_page = kernel.function("buffer_migrate_page") ?
probe vfs.buffer_migrate_page.return =
probe vfs.__set_page_dirty_buffers = kernel.function("__set_page_dirty_buffers")
probe vfs.__set_page_dirty_buffers.return =
probe vfs.do_mpage_readpage = kernel.function("do_mpage_readpage")
probe vfs.do_mpage_readpage.return = kernel.function("do_mpage_readpage").return
probe vfs.add_to_page_cache =
probe vfs.add_to_page_cache.return =
probe vfs.remove_from_page_cache =
probe vfs.remove_from_page_cache.return =
probe vfs.read = kernel.function("vfs_read")
probe vfs.read.return = kernel.function("vfs_read").return
probe vfs.readv = kernel.function("vfs_readv")
probe vfs.readv.return = kernel.function("vfs_readv").return
probe vfs.write = kernel.function("vfs_write")
probe vfs.write.return = kernel.function("vfs_write").return
probe vfs.writev = kernel.function("vfs_writev")
probe vfs.writev.return = kernel.function("vfs_writev").return
probe vfs.open = kernel.function("vfs_open") ?
probe vfs.open.return = kernel.function("vfs_open").return ?
