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文件系统内部实现

文件系统的挂载​

核心结构体​

APP访问磁盘上的文件时，VFS只是把APP的open/read/write等操作转交给“真实的文件系统”，使用特定文件系统的代码去读写磁盘、Flash。

“文件系统”被封装为“mountpt_operations”结构体。对于文件的操作，不仅仅是open/read/write，还有目录操作“opendir/closedir/readdir/rewinddir”、路径操作（Path）“unlink/mkdir/rmdir/rename/stat/chstat/syncfs”。

这些函数放在“mountpt_operations”结构体里，如下：

块设备​

参考文件：nuttx\drivers\misc\ramdisk.c

文件系统“mountpt_operations”结构体只是一套规则，它被用来在磁盘、Flash上解析数据、读写文件，最终要落实到“块设备”上——相对于LED、GPIO这样的设备，块设备是能存储“大块数据”的设备，比如SPI Flash等。

LED、GPIO等设备驱动分别使用一个“file_operations”结构体来描述——它们被称为字符设备，类似的，块设备的驱动程序也使用一个“block_operations”结构体来描述：

struct block_operations

{

CODE int (\*open)(FAR struct inode \*inode);

CODE int (\*close)(FAR struct inode \*inode);

CODE ssize_t (*read)(FAR struct inode *inode, FAR unsigned char *buffer,

blkcnt_t start_sector, unsigned int nsectors);

CODE ssize_t (*write)(FAR struct inode *inode,

FAR const unsigned char *buffer,

blkcnt_t start_sector, unsigned int nsectors);

CODE int (*geometry)(FAR struct inode *inode,

FAR struct geometry \*geometry);

CODE int (\*ioctl)(FAR struct inode \*inode, int cmd, unsigned long arg);

#ifndef CONFIG_DISABLE_PSEUDOFS_OPERATIONS

CODE int (\*unlink)(FAR struct inode \*inode);

#endif

};

相比于字符设备，块设备的read/write函数读写的数据以“扇区”为单位，除此之外“geometry”被用来获得块设备的“几何参数”，比如有多少个扇区、扇区大小、是否可写等信息。

挂载流程​

文件系统分为2类：一类是“虚拟文件系统”，无需操作真实的块设备，比如procfs文件系统的内容来自内核里的信息；另一类是“真实文件系统”，需要块设备提供数据。在挂载它们时前者无需提供块设备，后者需要指定块设备，比如下面两个命令：

mount -t procfs none /proc

mount -t yaffs /dev/usrdata /data

mount命令对应的函数在“apps\nshlib\nsh_mntcmds.c”中：cmd_mount函数调用mount函数。

mount // nuttx\fs\mount\fs_mount.c

nx_mount(source, target, filesystemtype, mountflags, data);

if source != NULL

// 尝试

// 1.1 找到块设备驱动

find_blockdriver(source, mountflags, &drvr_inode)

// 1.2 找到"BDFS"(Block Device File System)块设备文件系统

mops = mount_findfs(g_bdfsmap, filesystemtype);

// 2.1 找到MTD设备驱动

find_mtddriver(source, &drvr_inode)

// 2.2 找到"MDFS"(Memory Device File System, 内存设备文件系统)

mops = mount_findfs(g_mdfsmap, filesystemtype);

// 2.3 找到"BDFS"(Block Device File System)块设备文件系统

mops = mount_findfs(g_bdfsmap, filesystemtype);

// 3. 尝试找到非块设备类型的文件系统，

// 这些文件系统不依赖物理块设备（如硬盘、闪存等），

// 而是基于内存、网络或虚拟设备实现。

mops = mount_findfs(g_nonbdfsmap, filesystemtype)

// 4. 找到挂载点

SETUP_SEARCH(&desc, target, false);

ret = inode_find(&desc);

mountpt_inode = desc.node;

// 5. 文件系统绑定块设备节点

ret = mops-\>bind(drvr_inode, data, &fshandle);

// 6. 如果前面没有找到挂载点

// 就创建一个挂载点

if (mountpt_inode == NULL)

ret = inode_reserve(target, 0777, &mountpt_inode);

// 7. 在挂载点记录所用的文件系统

INODE_SET_MOUNTPT(mountpt_inode);

mountpt_inode-\>u.i_mops = mops;

mountpt_inode->i_private = fshandle

上面寻找挂载点时，无论是使用“inode_find”还是“inode_reserve”，在传入的PATH路径如果碰到类型为挂载点的inode，就会返回错误。这意味着openvela跟Linux不一样：openvela无法在“挂载点下面再去挂载文件系统”。

在Linux中下图是可行的：

在openvela中，差异如下（注意图中的红色“注意”）：

应用程序访问文件系统的内部细节​

理解文件系统的作用，核心在于“转交”。

总的原则就是：APP在调用open函数时根据路径找到对应的inode：

  • 这个inode可能是“end of path”（路径的端点）：比如“/dev/hello”里找到了“hello”这个文件，它可能是驱动程序：以后open/read/write的操作就是调用驱动程序里的open/read/write

  • 这个inode可能是“mountpoint”：比如“/data/abc/1.txt”里找到了“/data”发现它是一个挂载点。那就调用它的“mountpt_operations”结构体的open/read/write来处理剩余的路径“abc/1.txt”。

文件系统的接口函数​

以Windows电脑使用场景为例，去访问一个文件时首先要打开某个目录：在文件浏览器里会列出目录里的文件，然后再双击打开文件。

对于文件的操作，不仅仅是open/read/write，还有目录操作“opendir/closedir/readdir/rewinddir”、路径操作（Path）“unlink/mkdir/rmdir/rename/stat/chstat/syncfs”。

这些函数放在“mountpt_operations”结构体里，如下：

使用视频进行源代码情景分析，分析：ls命令的过程、open/read/write的过程。

ls命令情景分析​

源码：apps\nshlib\nsh_fscmds.c。

但我们执行“ls /”或“ls /data”时：

// apps\nshlib\nsh_fscmds.c

cmd_ls

stat(fullpath, &st)

// nuttx\fs\vfs\fs_stat.c

nx_stat(path, buf, 1);

stat_recursive(path, buf, resolve);

ret = inode_find(&desc);

if (INODE_IS_MOUNTPT(inode))

ret = inode-\>u.i_mops-\>stat(inode, desc.relpath, buf);

else

ret = inode_stat(inode, buf, resolve);

// 根据inode自行构造stat

else if (!S_ISDIR(st.st_mode))

// 对于非目录

ls_handler

// 调用stat

ret = stat(dirpath, &buf);

// 打印

else

// 对于fullpath下的每一个"direntry"调用ls_handler把它的信息打印出来

ret = nsh_foreach_direntry(vtbl, "ls", fullpath, ls_handler,

dirp = opendir(dirpath);

FAR struct dirent \*entryp = readdir(dirp);

ls_handler

// 调用stat

ret = stat(dirpath, &buf);

// 打印

// 对于fullpath下的每一个"direntry"调用ls_recursive

// 把它下面的子目录或文件信息打印出来

nsh_foreach_direntry(vtbl, "ls", fullpath, ls_recursive,

上面的opendir、readdir，都是调用open、read函数。

opendir/open函数情景分析​

opendir函数里是调用open函数，它传入“O_DIREDTORY”参数：

  • 根据path找到inode：这个inode可能是挂载点的inode

  • 根据挂载点找到文件系统，进而调用它的opendir函数

  • 最重要的是，“filep->f_inode = &g_dir_inode;”，这在后面readdir时被用到

使用open函数来打开非目录的文件时：

  • 根据path找到inode：这个inode可能是挂载点的inode，也可能是驱动程序的inode

  • 对于挂载点：根据挂载点找到文件系统，进而调用它的open函数

  • 对于驱动程序：调用file_operatons的open函数

readdir/read/write函数情景分析​

readdir的本质是调用read。read函数内部实现如下：

write函数内部实现如下：