计算机与通信工程学院课程设计 第 22 页东北大学秦皇岛分校计算机与通信工程学院操作系统课程设计设计题目Linux中的虚拟文件系统的分析专业名称计算机科学与技术班级学号学生姓名黎楠指导教师王翠荣设计时间2018年01月01日 2018年01月12日 课程设计任务书专业：计算机科学与技术 学号： 学生姓名（签名）： 设计题目：Linux中的虚拟文件系统的分析与进程管理器一、设计实验条件综合楼1208、1210实验室二、设计任务及要求1. Linux中的虚拟文件系统的分析；2. 进程管理器；三、设计报告的内容1. 设计题目与设计任务（设计任务书）题目一：Linux中的虚拟文件系统的分析要求：虚拟文件系统(VFS)是物理文件系统与服务之间的一个接口层。试说明它与物理文件系统有何关系，以及VFS超级块地实现方法；题目二：进程管理器要求：在Linux或Windows系统环境下，实现一个系统进程管理器，能够显示当前系统的活动进程信息（进程名、用户、优先级、内存使用等），并能结束或创建特定进程。可参考Windows下“任务管理器”功能。2. 前言（绪论）(设计的目的、意义等)任何一个操作系统都是基于文件系统之上的，在Linux操作系统中下的文件系统主要可分为三大块：一是上层的文件系统的系统调用，二是虚拟文件系统 VFS(Virtual Filesystem Switch)，三是挂载到 VFS 中的各实际文件系统，例如 ext2，jffs 等。VFS处于文件系统的使用者与具体的文件系统之间，将两者隔离开来。这种引入一个抽象层次的设计思想，即“上层不依赖于具体实现，而依赖于接口；下层不依赖于具体实现，而依赖于接口”，就是著名的“依赖反转”，它在 Linux内核中随处可见。所以对VFS与物理文件系统之间关系的分析以及VFS超级块的实现方法显得格外重要。而正是因为虚拟文件系统的存在，跨文件系统的文件操作才能得以实现。对虚拟文件系统的分析将有助于我们对Linux文件系统的学习，同时对深入理解Linux操作系统有很大帮助。3. 设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）3.1. Linux中的虚拟文件系统的分析【题目分析】虚拟文件系统（Virtual File System, 简称 VFS）， 是 Linux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个 抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依靠 VFS 协同工作。VFS 支持的文件系统可以分为3 种类型：基于磁盘的文件系统、网络文件系统、特殊文件系统(虚拟文件系统)。为了能够支持各种实际文件系统，VFS 定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据结构；同时实际文件系统也提供 VFS 所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式 上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。图1 VFS在内核中与其他的内核模块的协同关系【VFS与物理文件系统的关系】Linux 的VFS 位于Linux 整个文件系统的最上层，是一种软件机制，提供文件系统对用户命令、系统调用及内核其他模块的统一接口，负责管理并控制下层的逻辑文件系统，使它们按照各自特定的模式正常运转，同时能够对用户提供尽可能相同的表现形式。VFS是物理文件系统与服务之间的一个接口层，它对Linux的每个文件系统的所有细节进行抽象，使得不同的文件系统在Linux核心以及系统中运行的进程看来都是相同的。严格的说，VFS并不是一种实际的文件系统。它只存在于内存中，并没有真正存在于磁盘分区中，磁盘分区存放的是逻辑文件系统的内容，所有VFS 的数据结构都是在系统启动之后才建立完成，并在系统关闭时撤销。同时，它必须和其他实际存在于磁盘的文件系统，比如Linux 默认的ext2 或者Windows NT 的NTFS 等逻辑文件系统一起，才能构成一个完整的文件系统。VFS 对逻辑文件系统进行抽象，采用统一的数据结构在内存中描述所有这些文件系统，接受用户层的系统调用和核心层其他模块的访问，通过VFS 操作函数，按照一定的映射关系，把这些访问重新定向到逻辑文件系统中相应的函数调用，然后由逻辑文件系统来完成真正的具体操作。这样，VFS 只负责处理设备无关的操作，主要是进行具体操作的映射关系。正是VFS的这种抽象的功能层次，保证了Linux 系统可以支持多种不同的逻辑文件系统，所有文件系统都具有基本相同的外部表现，而且可以方便地进行相互访问。针对下层的逻辑文件系统，Linux 系统中的VFS 为它们提供一致的接口，统一管理各种逻辑文件系统，包括进行文件系统的注册和注销、安装和卸载等，提供限额机制，对用户存储空间进行有效的控制。对文件操作进行适当的转换，转交由具体的逻辑文件系统进行处理，然后把具体的操作结果提供给上层的调用者。针对上层，VFS为用户层函数调用和内核其他模块的访问提供 接口，接受访问并返回由具体逻辑文件系统完成的结果。此外，VFS还负责管理文件系统的各种缓冲区，保证文件系统的整体效率。从本质上讲，文件系统是特殊的数据分层存储结构，它包含文件、目录和相关的控制信息。为了描述这个结构，Linux引入了一些基本概念:文件 一组在逻辑上具有完整意义的信息项的系列。在Linux中，除了普通文件，其他诸如目录、设备、套接字等 也以文件被对待。总之，“一切皆文件”。目录 目录好比一个文件夹，用来容纳相关文件。因为目录可以包含子目录，所以目录是可以层层嵌套，形成 文件路径。在Linux中，目录也是以一种特殊文件被对待的，所以用于文件的操作同样也可以用在目录上。目录项 在一个文件路径中，路径中的每一部分都被称为目录项；如路径/home/source/helloworld.c中，目录 /, home, source和文件 helloworld.c都是一个目录项。索引节点 用于存储文件的元数据的一个数据结构。文件的元数据，也就是文件的相关信息，和文件本身是两个不同 的概念。它包含的是诸如文件的大小、拥有者、创建时间、磁盘位置等和文件相关的信息。超级块 用于存储文件系统的控制信息的数据结构。描述文件系统的状态、文件系统类型、大小、区块数、索引节 点数等，存放于磁盘的特定扇区中。如上的几个概念在磁盘中的位置关系如图4所示。图2 磁盘与文件系统VFS依靠四个主要的数据结构和一些辅助的数据结构来描述其结构信息，这些数据结构表现得就像是对象； 每个主要对象中都包含由操作函数表构成的操作对象，这些操作对象描述了内核针对这几个主要的对象可以进行的操作。下图就是逻辑上对VFS及其下层实际文件系统的组织图，可以看到用户层只能于VFS打交道，而不能直接访问实际的文件系统，比如EXT2、EXT3、PROC，换句话说，就是用户层不用也不能区别对待这些真正的文件系统，不过，SOCKET虽然也属于VFS的管辖范围，但是有其特殊性，就是不能像打开大部分文件系统下的“文件”一样打开socket，它只能被创建，而且内核中对其有特殊性处理。图3 逻辑上对VFS及其下层实际文件系统的组织图【超级块的实现方法】VFS描述文件系统使用超级块和inode 的方式，所谓超级块就是对所有文件系统的管理机构，每种文件系统都要把自己的信息挂到super_blocks这么一个全局链表上。内核中是分成2个步骤完成：首先每个文件系统必须通过register_filesystem函数将自己的file_system_type挂接到file_systems这个全局变量上，然后调用kern_mount函数把自己的文件相关操作函数集合表挂到super_blocks上。每种文件系统类型的读超级块的例程（get_sb）必须由自己实现。图4 超级块的实现存储一个已安装的文件系统的控制信息，代表一个已安装的文件系统；每次一个实际的文件系统被安装时，内核会从磁盘的特定位置读取一些控制信息来填充内存中的超级块对象。一个安装实例和一个超级块对象一一对应。 超级块通过其结构中的一个域s_type记录它所属的文件系统类型。VFS超级块是各种逻辑文件系统在安装时建立的，并在这些文件系统卸载时自动删除，它只存在于内存中。VFS中保存了系统中挂接的文件系统的链表以及这些文件系统对应的VFS超级块。系统启动后所有被初始化的文件系统都要向VFS登记。每个已安装的文件系统由一个VFS 超块表示，它包含如下信息: Device:表示文件系统所在块设备的设备标志符。例如系统中第一个IDE 硬盘的设备标志符为0x301。 Inode pointers:这个mounted inode指针指向文件系统中第一个inode。而covered inode指针指向此文件系统安装目录的inode。根文件系统的VFS超块不包含covered指针。 Blocksize:以字节记数的文件系统块大小，如1024 字节。 Superblock operations:指向此文件系统一组超块操纵例程的指针。这些例程被VFS 用来读写inode和超块。 File System type:这是一个指向已安装文件系统的file_system_type结构的指针。 File System specific:指向文件系统所需信息的指针。一个超级块对应一个文件系统(已经安装的文件系统类型如ext2，此处是实际的文件系统)。之前我们已经说了文件系统用于管理这些文件的数据格式和操作之类的，系统文件有系统文件自己的文件系统，同时对于不同的磁盘分区也有可以是不同的文件系统。那么一个超级块对应一个独立的文件系统，保存文件系统的类型、大小、状态等等。(“文件系统”和“文件系统类型”是不同的概念，一个文件系统类型下可以包括很多文件系统即很多的super_block)对于不同的文件系统有不同的super_block，对于不同的super_block的操作也是不同的，所以我们在下面的super_block结构中可以看到上面说的抽象的struct结构(例如下面的：struct super_operations)：(linux内核2.4.37)图5 Struct super_operations解释字段：s_list：指向超级块链表的指针，这个struct list_head是很熟悉的结构了，里面其实就是用于连接关系的prev和next字段。内核中的结构处理都是有讲究的(内核协议栈中也说过)，内核单独使用一个简单的结构体将所有的super_block都链接起来，但是这个结构不是super_block本身，因为本身数据结构太大，效率不高，所有仅仅使用structlist_head prev;list_head next;这样的结构来将super_block中的s_list链接起来，那么遍历到s_list之后，直接读取super_block这么长的一个内存块，就可以将这个super_block直接读进来！这样就很快捷方便！这也是为什么s_list必须放在第一个字段的原因。s_dev：包含该具体文件系统的块设备标识符。例如，对于/dev/hda1，其设备标识符为0x301s_blocksize：文件系统中数据块大小，以字节单位s_bl