Linux 中的虛擬文件系統(tǒng)詳解

什么是文件系統(tǒng)?根據(jù)早期的 Linux 貢獻(xiàn)者和作家 Robert Love 所說，“文件系統(tǒng)是一個(gè)遵循特定結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)的分層存儲。” 不過，這種描述也同樣適用于 VFAT(虛擬文件分配表Virtual File Allocation Table)、Git 和Cassandra(一種 NoSQL 數(shù)據(jù)庫)。那么如何區(qū)別文件系統(tǒng)呢?

 

如果我們能夠 open()、read() 和 write()，它就是一個(gè)文件，如這個(gè)主控臺會話所示。

VFS 是著名的類 Unix 系統(tǒng)中 “一切皆文件” 概念的基礎(chǔ)。讓我們看一下它有多奇怪，上面的小小演示體現(xiàn)了字符設(shè)備 /dev/console 實(shí)際的工作。該圖顯示了一個(gè)在虛擬電傳打字控制臺(tty)上的交互式 Bash 會話。將一個(gè)字符串發(fā)送到虛擬控制臺設(shè)備會使其顯示在虛擬屏幕上。而 VFS 甚至還有其它更奇怪的屬性。例如，它可以在其中尋址。

我們熟悉的文件系統(tǒng)如 ext4、NFS 和 /proc 都在名為 file_operations 的 C 語言數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中提供了三大函數(shù)的定義。此外，個(gè)別的文件系統(tǒng)會以熟悉的面向?qū)ο蟮姆绞綌U(kuò)展和覆蓋了 VFS 功能。正如 Robert Love 指出的那樣，VFS 的抽象使 Linux 用戶可以輕松地將文件復(fù)制到(或復(fù)制自)外部操作系統(tǒng)或抽象實(shí)體(如管道)，而無需擔(dān)心其內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。在用戶空間這一側(cè)，通過系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)程可以使用文件系統(tǒng)方法之一 read() 從文件復(fù)制到內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，然后使用另一種文件系統(tǒng)的方法 write() 輸出數(shù)據(jù)。

屬于 VFS 基本類型的函數(shù)定義本身可以在內(nèi)核源代碼的 fs/*.c 文件 中找到，而 fs/ 的子目錄中包含了特定的文件系統(tǒng)。內(nèi)核還包含了類似文件系統(tǒng)的實(shí)體，例如 cgroup、/dev 和 tmpfs，在引導(dǎo)過程的早期需要它們，因此定義在內(nèi)核的 init/ 子目錄中。請注意，cgroup、/dev 和 tmpfs 不會調(diào)用 file_operations 的三大函數(shù)，而是直接讀取和寫入內(nèi)存。

下圖大致說明了用戶空間如何訪問通常掛載在 Linux 系統(tǒng)上的各種類型文件系統(tǒng)。像管道、dmesg 和 POSIX 時(shí)鐘這樣的結(jié)構(gòu)在此圖中未顯示，它們也實(shí)現(xiàn)了 struct file_operations，而且其訪問也要通過 VFS 層。

/proc/meminfo 是一個(gè)空文件，但仍包含有價(jià)值的信息。

/proc 文件的行為說明了 VFS 可以與磁盤上的文件系統(tǒng)不同。一方面，/proc/meminfo包含了可由命令 free 展現(xiàn)出來的信息。另一方面，它還是空的!怎么會這樣?這種情況讓人聯(lián)想起康奈爾大學(xué)物理學(xué)家 N. David Mermin 在 1985 年寫的一篇名為《沒有人看見月亮的情況嗎?現(xiàn)實(shí)和量子理論》。事實(shí)是當(dāng)進(jìn)程從 /proc 請求數(shù)據(jù)時(shí)內(nèi)核再收集有關(guān)內(nèi)存的統(tǒng)計(jì)信息，而且當(dāng)沒有人查看它時(shí)，/proc 中的文件實(shí)際上沒有任何內(nèi)容。正如 Mermin 所說，“這是一個(gè)基本的量子學(xué)說，一般來說，測量不會揭示被測屬性的預(yù)先存在的價(jià)值?！?關(guān)于月球的問題的答案留作練習(xí)。)

當(dāng)沒有進(jìn)程訪問它們時(shí)，/proc 中的文件為空。(來源)

procfs 的空文件是有道理的，因?yàn)槟抢锟捎玫男畔⑹莿討B(tài)的。sysfs 的情況則不同。讓我們比較一下 /proc 與 /sys 中不為空的文件數(shù)量。

用 eBPF 觀察插入 USB 記憶棒時(shí) /sys 中會發(fā)生什么，簡單的和復(fù)雜的例子。

在上面的第一個(gè)簡單示例中，只要 sysfs_create_files() 命令運(yùn)行，trace.py bcc 工具腳本就會打印出一條消息。我們看到 sysfs_create_files() 由一個(gè) kworker 線程啟動，以響應(yīng) USB 棒的插入事件，但是它創(chuàng)建了什么文件?第二個(gè)例子說明了 eBPF 的強(qiáng)大能力。這里，trace.py 正在打印內(nèi)核回溯(-K 選項(xiàng))以及 sysfs_create_files() 創(chuàng)建的文件的名稱。單引號內(nèi)的代碼段是一些 C 源代碼，包括一個(gè)易于識別的格式字符串，所提供的 Python 腳本引入 LLVM 即時(shí)編譯器(JIT) 來在內(nèi)核虛擬機(jī)內(nèi)編譯和執(zhí)行它。必須在第二個(gè)命令中重現(xiàn)完整的 sysfs_create_files() 函數(shù)簽名，以便格式字符串可以引用其中一個(gè)參數(shù)。在此 C 片段中出錯(cuò)會導(dǎo)致可識別的 C 編譯器錯(cuò)誤。例如，如果省略 -I 參數(shù)，則結(jié)果為“無法編譯 BPF 文本”。熟悉 C 或 Python 的開發(fā)人員會發(fā)現(xiàn) bcc 工具易于擴(kuò)展和修改。

插入 USB 記憶棒后，內(nèi)核回溯顯示 PID 7711 是一個(gè) kworker 線程，它在 sysfs 中創(chuàng)建了一個(gè)名為 events 的文件。使用 sysfs_remove_files() 進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)用表明，刪除 USB 記憶棒會導(dǎo)致刪除該 events 文件，這與引用計(jì)數(shù)的想法保持一致。在 USB 棒插入期間(未顯示)在 eBPF 中觀察 sysfs_create_link() 表明創(chuàng)建了不少于 48 個(gè)符號鏈接。

無論如何，events 文件的目的是什么?使用 cscope 查找函數(shù) __device_add_disk()顯示它調(diào)用 disk_add_events()，并且可以將 “mediachange” 或 “ejectrequest” 寫入到該文件。這里，內(nèi)核的塊層通知用戶空間該 “磁盤” 的出現(xiàn)和消失?？紤]一下這種檢查 USB 棒的插入的工作原理的方法與試圖僅從源頭中找出該過程的速度有多快。

只讀根文件系統(tǒng)使得嵌入式設(shè)備成為可能

確實(shí)，沒有人通過拔出電源插頭來關(guān)閉服務(wù)器或桌面系統(tǒng)。為什么?因?yàn)槲锢泶鎯υO(shè)備上掛載的文件系統(tǒng)可能有掛起的(未完成的)寫入，并且記錄其狀態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能與寫入存儲器的內(nèi)容不同步。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，系統(tǒng)所有者將不得不在下次啟動時(shí)等待 fsck 文件系統(tǒng)恢復(fù)工具 運(yùn)行完成，在最壞的情況下，實(shí)際上會丟失數(shù)據(jù)。

然而，狂熱愛好者會聽說許多物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備，如路由器、恒溫器和汽車現(xiàn)在都運(yùn)行著 Linux。許多這些設(shè)備幾乎完全沒有用戶界面，并且沒有辦法干凈地讓它們“解除啟動”。想一想啟動電池耗盡的汽車，其中運(yùn)行 Linux 的主機(jī)設(shè)備 的電源會不斷加電斷電。當(dāng)引擎最終開始運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)如何在沒有長時(shí)間 fsck 的情況下啟動呢?答案是嵌入式設(shè)備依賴于只讀根文件系統(tǒng)(簡稱 ro-rootfs)。

ro-rootfs 是嵌入式系統(tǒng)不經(jīng)常需要 fsck 的原因。

ro-rootfs 提供了許多優(yōu)點(diǎn)，雖然這些優(yōu)點(diǎn)不如耐用性那么顯然。一個(gè)是，如果 Linux 進(jìn)程不可以寫入，那么惡意軟件也無法寫入 /usr 或 /lib。另一個(gè)是，基本上不可變的文件系統(tǒng)對于遠(yuǎn)程設(shè)備的現(xiàn)場支持至關(guān)重要，因?yàn)橹С秩藛T擁有理論上與現(xiàn)場相同的本地系統(tǒng)。也許最重要(但也是最微妙)的優(yōu)勢是 ro-rootfs 迫使開發(fā)人員在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段就決定好哪些系統(tǒng)對象是不可變的。處理 ro-rootfs 可能經(jīng)常是不方便甚至是痛苦的，編程語言中的常量變量經(jīng)常就是這樣，但帶來的好處很容易償還這種額外的開銷。

對于嵌入式開發(fā)人員，創(chuàng)建只讀根文件系統(tǒng)確實(shí)需要做一些額外的工作，而這正是 VFS 的用武之地。Linux 需要 /var 中的文件可寫，此外，嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的許多流行應(yīng)用程序會嘗試在 $HOME 中創(chuàng)建配置的點(diǎn)文件。放在家目錄中的配置文件的一種解決方案通常是預(yù)生成它們并將它們構(gòu)建到 rootfs 中。對于 /var，一種方法是將其掛載在單獨(dú)的可寫分區(qū)上，而 / 本身以只讀方式掛載。使用綁定或疊加掛載是另一種流行的替代方案。

綁定和疊加掛載以及在容器中的使用運(yùn)行 man mount 是了解綁定掛載bind mount和疊加掛載overlay mount的最好辦法，這種方法使得嵌入式開發(fā)人員和系統(tǒng)管理員能夠在一個(gè)路徑位置創(chuàng)建文件系統(tǒng)，然后以另外一個(gè)路徑將其提供給應(yīng)用程序。對于嵌入式系統(tǒng)，這代表著可以將文件存儲在 /var 中的不可寫閃存設(shè)備上，但是在啟動時(shí)將 tmpfs 中的路徑疊加掛載或綁定掛載到 /var 路徑上，這樣應(yīng)用程序就可以在那里隨意寫它們的內(nèi)容了。下次加電時(shí)，/var 中的變化將會消失。疊加掛載為 tmpfs 和底層文件系統(tǒng)提供了聯(lián)合，允許對 ro-rootfs 中的現(xiàn)有文件進(jìn)行直接修改，而綁定掛載可以使新的空 tmpfs 目錄在 ro-rootfs 路徑中顯示為可寫。雖然疊加文件系統(tǒng)是一種適當(dāng)?shù)奈募到y(tǒng)類型，而綁定掛載由 VFS 命名空間工具實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)疊加掛載和綁定掛載的描述，沒有人會對 Linux 容器 中大量使用它們感到驚訝。讓我們通過運(yùn)行 bcc 的 mountsnoop 工具監(jiān)視當(dāng)使用 systemd-nspawn 啟動容器時(shí)會發(fā)生什么：

在 mountsnoop.py 運(yùn)行的同時(shí)，system-nspawn 調(diào)用啟動容器。

讓我們看看發(fā)生了什么：

在容器 “啟動” 期間運(yùn)行 mountsnoop 可以看到容器運(yùn)行時(shí)很大程度上依賴于綁定掛載。(僅顯示冗長輸出的開頭)

這里，systemd-nspawn 將主機(jī)的 procfs 和 sysfs 中的選定文件按其 rootfs 中的路徑提供給容器。除了設(shè)置綁定掛載時(shí)的 MS_BIND 標(biāo)志之外，mount 系統(tǒng)調(diào)用的一些其它標(biāo)志用于確定主機(jī)命名空間和容器中的更改之間的關(guān)系。例如，綁定掛載可以將 /proc 和 /sys 中的更改傳播到容器，也可以隱藏它們，具體取決于調(diào)用。

總結(jié)

理解 Linux 內(nèi)部結(jié)構(gòu)看似是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)，因?yàn)槌?Linux 用戶空間應(yīng)用程序和 glibc 這樣的 C 庫中的系統(tǒng)調(diào)用接口，內(nèi)核本身也包含大量代碼。取得進(jìn)展的一種方法是閱讀一個(gè)內(nèi)核子系統(tǒng)的源代碼，重點(diǎn)是理解面向用戶空間的系統(tǒng)調(diào)用和頭文件以及主要的內(nèi)核內(nèi)部接口，這里以 file_operations 表為例。file_operations 使得“一切都是文件”得以可以實(shí)際工作，因此掌握它們收獲特別大。頂級 fs/ 目錄中的內(nèi)核 C 源文件構(gòu)成了虛擬文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，虛擬文件系統(tǒng)是支持流行的文件系統(tǒng)和存儲設(shè)備的廣泛且相對簡單的互操作性的墊片層。通過 Linux 命名空間進(jìn)行綁定掛載和覆蓋掛載是 VFS 魔術(shù)，它使容器和只讀根文件系統(tǒng)成為可能。結(jié)合對源代碼的研究，eBPF 內(nèi)核工具及其 bcc 接口使得探測內(nèi)核比以往任何時(shí)候都更簡單。

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