自制文件系統 — 01 文件系統的樣子

前情提要

來一個硬核系列，得益於 Linux 一切皆文件的哲學，把文件系統玩轉的飛起。文件系統所有人都聽過，都用過，但是就很少有人深究。

對於文件系統，大家的態度可能是兩個極端，要麼就是覺得好深奧，好牛，你竟然懂這玩意！要麼就是，文件系統是什麼鬼？不就是那個。。。我在 Linux 用過無數次的。這玩意還用得着講？

這兩種態度可能都不合適，文件系統作爲一個深入我們生活的事物，我們不應去忽略它，也不要去抬高或者貶低。我們應該要去了解它，打破對它的恐懼，因爲恐懼是對未知事物產生的一種情緒。平視它，瞭解清楚脈絡，從而掌握它。

小孩在爲什麼總是學習東西很快？因爲他們都是從形到意，先直觀的摸到，看到，嗅到，喫到，先感受到 “形”，然後我們教導他這些東西是的含義。他們很快就接受了。

我們這個自制文件系統，就是想從形意結合，讓讀者朋友能夠跟隨着筆者一起經歷一次文件系統由 0 到 1 的過程，構建好知識框架，後續的深造將會得心應手。

好，話不多說，我們先從什麼是文件系統講起，簡單介紹一些探索文件系統的基礎知識。

探索文件系統

 1   查看現有文件系統實例

Linux 文件系統相比大家都使用過。大家在自己的 Linux 上機器上執行 mount 命令就能看到當前系統上掛載的所有文件系統：

mount

示例如下：

root@localhost:~# mount
sysfs on /sys type sysfs (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel)
proc on /proc type proc (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime)
/dev/mapper/cl-root on / type xfs (rw,relatime,seclabel,attr2,inode64,noquota)
....

比如通過這一行信息我們能看出來：

sysfs on /sys type sysfs (ro,nosuid,nodev,noexec,relatime)

信息拆解分析：

• sysfs：文件系統名稱；

• /sys ：文件系統目錄掛載點；

• sysfs：文件系統類型

• (ro,nosuid,nodev,noexec,relatime)：掛載參數

這裏蘊含的重要信息：

• 同一個文件系統類型可以創建多個實例，掛載在不同的掛載點，就跟面向對象裏的類和實例的關係；

• 掛載點必須是目錄；

其實，mount 這個命令很強大，不僅能 list 所有的文件系統，還能掛載文件系統。如下：

掛載文件系統命令：

# 把已經格式化好的 /dev/sdb1 盤掛到 /mnt 目錄上 mount -t ext4 /dev/sdb1 /mnt/

對應卸載文件系統命令：

# 卸載 /mnt 的掛載點
umount /mnt

 2   查看目錄掛載的文件系統用量

mount 命令能看到所有的掛載列表，但是如果你想要看到所有文件系統的使用情況，則需要另一個命令：df。df 命令用來查看當前操作系統掛載的文件系統和使用情況：

df -Tha

• -T 參數能夠讓你看到所有的文件系統實例的類型；

• -h 參數能夠以更符合人類的友好的形式展示數據；

• -a 參數展示所有的文件系統，包括 0 Blocks 的文件系統（默認是會過濾掉的）；

示例如下：

root@localhost:~# df -ahT
Filesystem          Type             Size  Used Avail Use% Mounted on
sysfs               sysfs               0     0     0    - /sys
proc                proc                0     0     0    - /proc
/dev/mapper/cl-root xfs               17G   11G  7.0G  60% /
...

注意，如果 df 沒有加 -a 參數，類似於上面  sysfs，proc 這種用量 0 的會被過濾掉。這也是 mount 和 df 兩個命令默認顯式信息的區別。

 3   查看文件系統掛載配置

文件系統掛載可以通過 mount 命令直接掛載，但是 mount  命令掛載並沒有持久化，關機重啓就沒了。所以想要關機重啓之後，還能自動掛載到指定目錄，那麼就要把掛載規則寫到 /etc/fstab 文件中，fstab 就是 fs table 的縮寫，很容易理解。

操作系統在啓動的時候，就會解析這個文件，並按照這個文件裏的配置，自動掛載文件系統了。

如下：

root@localhost:~# cat /etc/fstab 

/dev/mapper/cl-root     /                       xfs     defaults        0 0
UUID=600e3771-af4a-48ca-a557-02204c9a48a5 /boot                   ext4    defaults        1 2
/dev/mapper/cl-swap     swap                    swap    defaults        0 0

fstab 的文件格式：

<設備標識>        <掛載目錄>         <文件系統類型>    <掛載參數>             <dump選項> <fsck選項>

從左到右參數拆解：

• 設備標識：能夠標識到唯一的文件系統所在的設備，這裏可以是設備路徑，也可以是 LABEL，或者 UUID；

• 掛載目錄：文件系統掛載的目錄點；

• 文件系統類型：比如 ext4，ext2，xfs 之類的；

• 掛載參數：可以填 defaults，也可以精細化配置，比如只讀還是可寫（rw/ro），同步刷盤還是異步（async/sync），等等；

• dump 選項：讓你能控制文件系統備份的頻率，0 表示不備份；

• fsck 選項：讓你控制是否開機用 fsck 自檢，0 表示不要；

 4   查看內核支持的文件系統

這個直接去看內核模塊即可：

ls /lib/modules/${kernel_version}/kernel/fs/

不同的 Linux 發行版略有不同，比如，centos 一般爲：

ls -l /lib/modules/4.18.0-80.el8.x86_64/kernel/fs/

ubuntu 一般爲：

ls -l /lib/modules/4.4.0-142-generic/kernel/fs/

在對應的目錄找到對應的 .ko 模塊，比如 ext4.ko ，如果想看內核已經加載的內核模塊，可以調用 lsmod 看到。

簡單普及一下 .ko 模塊的知識：

ko 其實是 kernel object 的縮寫，這類文件存在的意義其實和用戶態的 .so 庫類似，都是爲了模塊化的編程實踐。內核把核心主幹框架之外的功能拆解成模塊，需要的時候就加載 ko 模塊，不需要的時候卸載即可。這樣帶來的好處就是方便開發和使用，保持內核的核心代碼極度精煉。

類似於文件系統，硬件驅動等等，都是以這種形式來加載使用的。

開發文件系統爲什麼難？

爲什麼文件系統的開發大家會覺得非常難？原因其實不在於實現，而在於調試和排障，因爲早期文件系統的開發只能在內核之中，這個帶來了非常高的門檻。

 1   內核文件系統

因爲在此之前我們看到了文件系統是位於內核之中， vfs 之下，塊存儲模塊之上的一個位置。對外呈現文件存儲實現，對下管理裸塊設備。劃重點，文件系統是位於內核的一個模塊，那就可以理解了，內核模塊的開發之所以艱難就是難在調試和排障，用戶態的程序你可以隨意 debug，出問題最多也就是 panic，coredump，內核態的程序出了文件就是宕機，所有現場都丟失，你只能通過日誌，kdump 等手段來排查。並且內核態程序的編寫是要注意非常多的規範的，比如內存分配，比用戶態的要謹慎的多。

那怎麼辦？我們本次的目標是要自制實現一個極簡的文件系統，但總不能帶大家趟一次內核開發的坑吧！那可是要嚇退 99% 的小夥伴。

有辦法的，內核開發者考慮到了這個問題，又考慮到文件系統的需求是千變萬化的，所以提供了一種手段，把 IO 路徑導向用戶態，由用戶態程序捕獲到 IO ，從而實現文件的存儲，這個機制就叫 FUSE 機制。

 2   FUSE 文件系統

作爲自制 FS 系列第一篇，我們不講 FUSE 的實現，而是通過一個動畫來演示 IO 的旅途：

這裏的路徑做了一些簡化，簡化了用戶態之上的邏輯處理，爲什麼路徑是這樣子？什麼是 FUSE ？下篇專題解釋。

總結

本篇文章是爲後續鋪墊一些基礎知識，從形的方面，系統介紹了一些命令，告訴你文件系統怎麼配置，怎麼掛載，怎麼查看，怎麼獲取到使用詳情。這些基礎知識在後面自制文件系統的時候，都要用上。這些 Linux 命令都是幫助我們從文件系統的外圍去用，去摸，去嗅，從而再去深入理解。

我們目標不止如此，我們是要親手做一個文件系統，動手做過一遍的東西，你對它理解也將會突飛猛進，更加深刻。

下面總結一下上面的基礎以上的知識：

1. mount 用來列舉查看當前所有文件系統實例，也能支持掛載命令（但 mount  掛載不會持久化，重啓就沒了），umount 用來卸載；

2. /etc/fstab 是用來配置文件系統掛載規則的，是持久化的配置，重啓不丟；

3. df -aTh 用來查看每個文件系統掛載目錄的詳情，包括空間使用量，總量，掛載點等信息；

4. 內核模塊的功能以 ko 文件的形式體現，在 /lib/modules/${kernel_version}/kernel/fs/ 目錄可以看到支持的內核文件系統模塊，lsmod 命令可以看到已經加載的內核模塊；

5. 文件系統開發之所以難？是因爲之前在內核中開發，內核開發最難的在於調試和排障手段不方便。那文件系統還有出路嗎？有，奇伢帶你自制一個極簡的文件系統，基於 Linux 系統使用純 Go 語言來做哦，敬請期待後續，自己動手，理解更深；

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/0FpQGDzFh_D7IJi6z7oXjg