Linux 文件系统结构详解

一、 常见文件相关结构体

以2.6.22为例，其他的2.6.X版本可能调整，但是变化不大。

1.1 struct file

struct file结构体定义在include/linux/fs.h中定义。文件结构体代表一个打开的文件，系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。在内核创建和驱动源码中，struct file的指针通常被命名为file或filp。如下所示：

struct file {

union {

struct list_head fu_list; 文件对象链表指针linux/include/linux/list.h

struct rcu_head fu_rcuhead; RCU(Read-Copy Update)是Linux 2.6内核中新的锁机制

} f_u;

struct path f_path; 包含dentry和mnt两个成员，用于确定文件路径

#define f_dentry f_path.dentry f_path的成员之一，当前文件的dentry结构

#define f_vfsmnt f_path.mnt 表示当前文件所在文件系统的挂载根目录

const struct file_operations *f_op; 与该文件相关联的操作函数

atomic_t f_count; 文件的引用计数（有多少进程打开该文件）

unsigned int f_flags; 对应于open时指定的flag

mode_t f_mode; 读写模式：open的mod_t mode参数

off_t f_pos; 该文件在当前进程中的文件偏移量

struct fown_struct f_owner; 该结构的作用是通过信号进行I/O时间通知的数据。

unsigned int f_uid, f_gid; 文件所有者id，所有者组id

struct file_ra_state f_ra; 在linux/include/linux/fs.h中定义，文件预读相关

unsigned long f_version;

#ifdef CONFIG_SECURITY

void *f_security;

#endif

/* needed for tty driver, and maybe others */

void *private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL

/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */

struct list_head f_ep_links;

spinlock_t f_ep_lock;

#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */

struct address_space *f_mapping;

};

1.2 struct dentry

dentry的中文名称是目录项，是Linux文件系统中某个索引节点(inode)的链接。这个索引节点可以是文件，也可以是目录。inode（可理解为ext2 inode）对应于物理磁盘上的具体对象，dentry是一个内存实体，其中的d_inode成员指向对应的inode。也就是说，一个inode可以在运行的时候链接多个dentry，而d_count记录了这个链接的数量。

struct dentry {

atomic_t d_count; 目录项对象使用计数器,可以有未使用态,使用态和负状态

unsigned int d_flags; 目录项标志

struct inode * d_inode; 与文件名关联的索引节点

struct dentry * d_parent; 父目录的目录项对象

struct list_head d_hash; 散列表表项的指针

struct list_head d_lru; 未使用链表的指针

struct list_head d_child; 父目录中目录项对象的链表的指针

struct list_head d_subdirs;对目录而言，表示子目录目录项对象的链表

struct list_head d_alias; 相关索引节点（别名）的链表

int d_mounted; 对于安装点而言，表示被安装文件系统根项

struct qstr d_name; 文件名

unsigned long d_time; /* used by d_revalidate */

struct dentry_operations *d_op; 目录项方法

struct super_block * d_sb; 文件的超级块对象

vunsigned long d_vfs_flags;

void * d_fsdata;与文件系统相关的数据

unsigned char d_iname [DNAME_INLINE_LEN]; 存放短文件名

};

1.3 struct files_struct

对于每个进程，包含一个files_struct结构，用来记录文件描述符的使用情况，定义在include/linux/file.h中

struct files_struct

{

atomic_t count; 使用该表的进程数

struct fdtable *fdt;

struct fdtable fdtab;

spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;

int next_fd; 数值最小的最近关闭文件的文件描述符,下一个可用的文件描述符

struct embedded_fd_set close_on_exec_init;执行exec时需要关闭的文件描述符初值集合

struct embedded_fd_set open_fds_init;文件描述符的屏蔽字初值集合

struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; 默认打开的fd队列

};

struct fdtable {

unsigned int max_fds;

struct file ** fd; 指向打开的文件描述符列表的指针，开始的时候指向fd_array，当超过max_fds时，重新分配地址

fd_set *close_on_exec; 执行exec需要关闭的文件描述符位图（fork，exec即不被子进程继承的文件描述符）

fd_set *open_fds; 打开的文件描述符位图

struct rcu_head rcu;

struct fdtable *next;

};

1.4 struct fs_struct

struct fs_struct {

atomic_t count; 计数器

rwlock_t lock; 读写锁

int umask;

struct dentry * root, * pwd, * altroot;根目录（"/"），当前目录以及替换根目录

struct vfsmount * rootmnt, * pwdmnt, * altrootmnt;

};

1.5 struct inode

索引节点对象由inode结构体表示，定义文件在linux/fs.h中。

struct inode {

struct hlist_node i_hash; 哈希表

struct list_head i_list; 索引节点链表

struct list_head i_dentry; 目录项链表

unsigned long i_ino; 节点号

atomic_t i_count; 引用记数

umode_t i_mode; 访问权限控制

unsigned int i_nlink; 硬链接数

uid_t i_uid; 使用者id

gid_t i_gid; 使用者id组

kdev_t i_rdev; 实设备标识符

loff_t i_size; 以字节为单位的文件大小

struct timespec i_atime; 最后访问时间

struct timespec i_mtime; 最后修改(modify)时间

struct timespec i_ctime; 最后改变(change)时间

unsigned int i_blkbits; 以位为单位的块大小

unsigned long i_blksize; 以字节为单位的块大小

unsigned long i_version; 版本号

unsigned long i_blocks; 文件的块数

unsigned short i_bytes; 使用的字节数

spinlock_t i_lock; 自旋锁

struct rw_semaphore i_alloc_sem; 索引节点信号量

struct inode_operations *i_op; 索引节点操作表

struct file_operations *i_fop; 默认的索引节点操作

struct super_block *i_sb; 相关的超级块

struct file_lock *i_flock; 文件锁链表

struct address_space *i_mapping; 相关的地址映射

struct address_space i_data; 设备地址映射

struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS];节点的磁盘限额

struct list_head i_devices; 块设备链表

struct pipe_inode_info *i_pipe; 管道信息

struct block_device *i_bdev; 块设备驱动

unsigned long i_dnotify_mask;目录通知掩码

struct dnotify_struct *i_dnotify; 目录通知

unsigned long i_state; 状态标志

unsigned long dirtied_when;首次修改时间

unsigned int i_flags; 文件系统标志

unsigned char i_sock; 套接字

atomic_t i_writecount; 写者记数

void *i_security; 安全模块

__u32 i_generation; 索引节点版本号

union {

void *generic_ip;文件特殊信息

} u;

};

下图为一个进程中各主要的文件相关结构的关系图：





下图为多个进程打开同一文件的情况：

二、实例

2.1 由相对路径得到绝对路径

内核的结构体不提供文件的绝对路径成员，由相对路径得到绝对路径的关键在得到当前的工作路径。

当前的工作路径可以由current->fs的pwd和pwdmnt成员得到，基本过程：

1、由pwd->d_name.Name得到当前路径名，由pwd->d_parent得到父目录dentry结构，

一直向上检索，直到父目录为"/"，此时得到的是文件在本文件系统下的路径。

2、如果current->fs->pwdmnt->mnt_mountpoint的路径不是"/"，说明文件所在的文件系统不是挂载在根目录下，需要得到挂载点。mnt_mountpoint也是一个dentry变量，方法同1。

3、最后把文件系统挂载点和文件在文件系统中的路径拼接起来即可。

2.2 由文件描述符得到文件的绝对路径

由当前进程的文件描述符得到文件的绝对路径：

#if LINUX_VERSION_CODE >= 0x020616

由current->files->fdt->fd[fd]->f_path.dentry->d_name.Name

和current->files->fdt->fd[fd]->f_path.dentry->d_parent

得到在所在文件系统下的路径

由current->files->fdt->fd[fd]->f_path.mnt->mnt_mountpoint->d_name.Name

和current->files->fdt->fd[fd]->f_path.mnt->mnt_mountpoint->d_parent

得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径

#elif LINUX_VERSION_CODE >= 0x020610

由current->files->fdt->fd[fd]->f_dentry->d_name.Name

和current->files->fdt->fd[fd]->f_dentry->d_parent

得到在所在文件系统下的路径

由current->files->fdt->fd[fd]->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_name.Name

和current->files->fdt->fd[fd]->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_parent

得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径

#else

由current->files->fd[fd]->f_dentry->d_name.Name

和current->files->fd[fd]->f_dentry->d_parent

得到在所在文件系统下的路径

由current->files->fd[fd]->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_name.Name

和current->files->fd[fd]->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_parent

得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径

#endif

2.3 得到当前进程的绝对路径

#if LINUX_VERSION_CODE >= 0x020616

由current->mm->mmap->vm_file->f_path.dentry->d_name.Name

和current->mm->mmap->vm_file->f_path.dentry->d_parent

得到在所在文件系统下的路径

由current->mm->mmap->vm_file->f_path.mnt->mnt_mountpoint->d_name.Name

和current->mm->mmap->vm_file->f_path.mnt->mnt_mountpoint->d_parent

得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径

#else

由current->mm->mmap->vm_file->f_dentry->d_name.Name

和current->mm->mmap->vm_file->f_dentry->d_parent

得到在所在文件系统下的路径

由current->mm->mmap->vm_file->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_name.Name

和current->mm->mmap->vm_file->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_parent

得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径

#endif

参考原文：/article/8217246.html