Ext3 mount過程分析

woff

Ext3 mount原理

本質上，Ext3 mount的過程實際上是inode被替代的過程。例如，/dev/sdb塊設備被mount到/mnt/alan目錄。那麼mount這個過程所需要解決的問題就是將/mnt/alan的dentry目錄項所指向的inode屏蔽掉，然後重新定位到/dev/sdb所表示的inode索引節點。在沒有分析閱讀linux vfs mount代碼的時候，我的想法是修改dentry所指向的inode索引節點，以此實現mount文件系統的訪問。經過分析，在實際的vfs mount實現過程中，還是和我原始的想法略有差別，但是，基本目標還是相同的。

Linux VFS的mount過程基本原理如下圖所示：

當用戶輸入”mount /dev/sdb /mnt/alan”命令後，Linux會解析/mnt/alan字符串，並且從Dentry Hash表中獲取相關的dentry目錄項，然後將該目錄項標識成DCACHE_MOUNTED。一旦該dentry被標識成DCACHE_MOUNTED，也就意味著在訪問路徑上對其進行了屏蔽。

在mount /dev/sdb設備上的ext3文件系統時，內核會創建一個該文件系統的superblock對象，並且從/dev/sdb設備上讀取所有的superblock信息，初始化該內存對象。Linux內核維護了一個全局superblock對象鍊錶。s_root是superblock對象所維護的dentry目錄項，該目錄項是該文件系統的根目錄。即新mount的文件系統內容都需要通過該根目錄進行訪問。在mount的過程中，VFS會創建一個非常重要的vfsmount對象，該對象維護了文件系統mount的所有信息。Vfsmount對象通過HASH表進行維護，通過path地址計算HASH值，在這裡vfsmount的HASH值通過“/mnt/alan”路徑字符串進行計算得到。Vfsmount中的mnt_root指向superblock對象的s_root根目錄項。因此，通過/mnt/alan地址可以檢索VFSMOUNT Hash Table得到被mount的vfsmount對象，進而得到mnt_root根目錄項。

例如，/dev/sdb被mount之後，用戶想要訪​​問該設備上的一個文件ab.c，假設該文件的地址為：/mnt/alan/ab.c。在打開該文件的時候，首先需要進行path解析。在解析到/mnt/alan的時候，得到/mnt/alan的dentry目錄項，並且發現該目錄項已經被標識為DCACHE_MOUNTED。之後，會採用/mnt/alan計算HASH值去檢索VFSMOUNT Hash Table，得到對應的vfsmount對象，然後採用vfsmount指向的mnt_root目錄項替代/mnt/alan原來的dentry，從而實現了dentry和inode的重定向。在新的dentry的基礎上，解析程序繼續執行，最終得到表示ab.c文件的inode對象。

關鍵數據結構說明
Linux VFS mount所涉及的關鍵數據結構分析如下。
Vfsmount數據結構

Vfsmount數據結構是vfs mount最為重要的數據結構，其維護了一個mount點的所有信息。該數據結構描述如下：

1. struct vfsmount {  
   
2.     struct list_head mnt_hash; /* 連接到VFSMOUNT Hash Table */  
   
3.     struct vfsmount *mnt_parent; /* 指向mount樹中的父節點*/  
   
4.     struct dentry *mnt_mountpoint; /* 指向mount點的目錄項*/  
   
5.     struct dentry *mnt_root; /* 被mount的文件系統根目錄項*/  
   
6.     struct super_block *mnt_sb; /* 指向被mount的文件系統superblock */  
   
7. #ifdef CONFIG_SMP  
   
8.     struct mnt_pcp __percpu *mnt_pcp;  
   
9.     atomic_t mnt_longterm; /* how many of the refs are longterm */  
   
10. #else  
    
11.     int mnt_count;  
    
12.     int mnt_writers;  
    
13. #endif  
    
14.     struct list_head mnt_mounts; /* 下級（child）vfsmount對象鍊錶*/  
    
15.     struct list_head mnt_child; /* 鏈入上級vfsmount對象的鍊錶點*/  
    
16.     int mnt_flags;  
    
17.     /* 4 bytes hole on 64bits arches without fsnotify */  
    
18. #ifdef CONFIG_FSNOTIFY  
    
19.     __u32 mnt_fsnotify_mask;  
    
20.     struct hlist_head mnt_fsnotify_marks;  
    
21. #endif  
    
22.     const char *mnt_devname; /* 文件系統所在的設備名字，例如/dev/sdb */  
    
23.     struct list_head mnt_list;  
    
24.     struct list_head mnt_expire; /* link in fs-specific expiry list */  
    
25.     struct list_head mnt_share; /* circular list of shared mounts */  
    
26.     struct list_head mnt_slave_list;/* list of slave mounts */  
    
27.     struct list_head mnt_slave; /* slave list entry */  
    
28.     struct vfsmount *mnt_master; /* slave is on master- > mnt_slave_list */  
    
29.     struct mnt_namespace *mnt_ns; /* containing namespace */  
    
30.     int mnt_id; /* mount identifier */  
    
31.     int mnt_group_id; /* peer group identifier */  
    
32.     int mnt_expiry_mark; /* true if marked for expiry */  
    
33.     int mnt_pinned;  
    
34.     int mnt_ghosts;  
    
35. };

複製代碼

在Linux內核中不僅存在VFSMOUNT的Hash Table，而且還維護了一棵Mount對象樹，通過該mount樹，我們可以了解到各個文件系統之間的關係。該mount樹描述如下：

上圖所示為三層mount文件系統樹。第一層為系統根目錄“/”；第二層有兩個mount點，一個為/mnt/a，另一個是/mnt/b；第三層在/mnt/a的基礎上又創建了兩個mount點，分別為/mnt/a/c和/mnt/a/d。通過mount樹，可以對整個系統的mount結構一目了然。

Superblock數據結構

每個文件系統都會擁有一個superblock對像對其基本信息進行描述。對於像ext3之類的文件系統而言，在磁盤上會持久化存儲一份superblock元數據信息，內存的superblock對象由磁盤上的信息初始化。對於像block device 之類的“偽文件系統”而言，在mount的時候也會創建superblock對象，只不過很多信息都是臨時生成的，沒有持久化信息。Vfs superblock數據結構定義如下：

1. struct super_block {  
   
2.     struct list_head s_list; /* 鏈入全局鍊錶的對象*/  
   
3.     dev_t s_dev; /* search index; _not_ kdev_t */  
   
4.     unsigned char s_dirt;  
   
5.     unsigned char s_blocksize_bits;  
   
6.     unsigned long s_blocksize;  
   
7.     loff_t s_maxbytes; /* Max file size */  
   
8.     struct file_system_type *s_type;  
   
9.     const struct super_operations *s_op; /* superblock操作函數集*/  
   
10.     const struct dquot_operations *dq_op;  
    
11.     const struct quotactl_ops *s_qcop;  
    
12.     const struct export_operations *s_export_op;  
    
13.     unsigned long s_flags;  
    
14.     unsigned long s_magic;  
    
15.     struct dentry *s_root; /* 文件系統根目錄項*/  
    
16.     struct rw_semaphore s_umount;  
    
17.     struct mutex s_lock;  
    
18.     int s_count;  
    
19.     atomic_t s_active;  
    
20. #ifdef CONFIG_SECURITY  
    
21.     void *s_security;  
    
22. #endif  
    
23.     const struct xattr_handler **s_xattr;  
    
24. 
    
25.     struct list_head s_inodes; /* all inodes */  
    
26.     struct hlist_bl_head s_anon; /* anonymous dentries for (nfs) exporting */  
    
27. #ifdef CONFIG_SMP  
    
28.     struct list_head __percpu *s_files;  
    
29. #else  
    
30.     struct list_head s_files;  
    
31. #endif  
    
32.     /* s_dentry_lru, s_nr_dentry_unused protected by dcache.c lru locks */  
    
33.     struct list_head s_dentry_lru; /* unused dentry lru */  
    
34.     int s_nr_dentry_unused; /* # of dentry on lru */  
    
35. 
    
36.     /* s_inode_lru_lock protects s​​_inode_lru and s_nr_inodes_unused */  
    
37.     spinlock_t s_inode_lru_lock ____cacheline_aligned_in_smp;  
    
38.     struct list_head s_inode_lru; /* unused inode lru */  
    
39.     int s_nr_inodes_unused; /* # of inodes on lru */  
    
40. 
    
41.     struct block_device *s_bdev;  
    
42.     struct backing_dev_info *s_bdi;  
    
43.     struct mtd_info *s_mtd;  
    
44.     struct list_head s_instances;  
    
45.     struct quota_info s_dquot; /* Diskquota specific options */  
    
46. 
    
47.     int s_frozen;  
    
48.     wait_queue_head_t s_wait_unfrozen;  
    
49. 
    
50.     char s_id[32]; /* Informational name */  
    
51.     u8 s_uuid[16]; /* UUID */  
    
52. 
    
53.     void *s_fs_info; /* Filesystem private info */  
    
54.     fmode_t s_mode;  
    
55. 
    
56.     /* Granularity of c/m/atime in ns.  
    
57.        Cannot be worse than a second */  
    
58.     u32 s_time_gran;  
    
59. 
    
60.     /*  
    
61.      * The next field is for VFS *only*. No filesystems have any business  
    
62.      * even looking at it. You had been warned.  
    
63.      */  
    
64.     struct mutex s_vfs_rename_mutex; /* Kludge */  
    
65. 
    
66.     /*  
    
67.      * Filesystem subtype. If non-empty the filesystem type field  
    
68.      * in /proc/mounts will be "type.subtype"  
    
69.      */  
    
70.     char *s_subtype;  
    
71. 
    
72.     /*  
    
73.      * Saved mount opt​​ions for lazy filesystems using  
    
74.      * generic_show_options()  
    
75.      */  
    
76.     char __rcu *s_options;  
    
77.     const struct dentry_operations *s_d_op; /* default d_op for dentries */  
    
78. 
    
79.     /*  
    
80.      * Saved pool identifier for cleancache (-1 means none)  
    
81.      */  
    
82.     int cleancache_poolid;  
    
83. 
    
84.     struct shrinker s_shrink; /* per-sb shrinker handle */  
    
85. };  

複製代碼

代碼流程分析

Linux中實現mount操作需要一定的代碼量，下面對Linux VFS Mount代碼進行分析說明，整個分析過程按照mount操作函數調用流程進行。代碼分析基於Linux-3.2版本。

當用戶在用戶層執行mount命令時，會執行系統調用從用戶態陷入linux內核，執行如下函數（namespace.c）：

1. SYSCALL_DEFINE5(mount, char __user *, dev_name, char __user *, dir_name,  
   
2.         char __user *, type, unsigned long, flags, void __user *, data)  
   
3. {  
   
4.     int ret;  
   
5.     char *kernel_type;  
   
6.     char *kernel_dir;  
   
7.     char *kernel_dev;  
   
8.     unsigned long data_page;  
   
9.     /* 獲取mount類型 */  
   
10.     ret  =  copy_mount_string (type, &kernel_type);  
    
11.     if (ret  <  0 )  
    
12.         goto out_type;  
    
13.     /* 獲取mount點目錄字符串 */  
    
14.     kernel_dir  =  getname (dir_name);  
    
15.     if (IS_ERR(kernel_dir)) {  
    
16.         ret  =  PTR_ERR (kernel_dir);  
    
17.         goto out_dir;  
    
18.     }  
    
19.     /* 獲取設備名稱字符串 */  
    
20.     ret  =  copy_mount_string (dev_name, &kernel_dev);  
    
21.     if (ret  <  0 )  
    
22.         goto out_dev;  
    
23.     /* 獲取其它選項 */  
    
24.     ret  =  copy_mount_options (data, &data_page);  
    
25.     if (ret  <  0 )  
    
26.         goto out_data;  
    
27.     /* 主要函數，執行掛載文件系統的具體操作*/  
    
28.     ret  =  do_mount (kernel_dev, kernel_dir, kernel_type, flags,  
    
29.         (void *) data_page);  
    
30. 
    
31.     free_page(data_page);  
    
32. out_data:  
    
33.     kfree(kernel_dev);  
    
34. out_dev:  
    
35.     putname(kernel_dir);  
    
36. out_dir:  
    
37.     kfree(kernel_type);  
    
38. out_type:  
    
39.     return ret;  
    
40. }

複製代碼

do_mount()函數是mount操作過程中的核心函數，在該函數中，通過mount的目錄字符串找到對應的dentry目錄項，然後通過do_new_mount()函數完成具體的mount操作。do_mount()函數分析如下：

1. long do_mount(char *dev_name, char *dir_name, char *type_page,  
   
2.           unsigned long flags, void *data_page)  
   
3. {  
   
4.     struct path path;  
   
5.     int  retval  =  0 ;  
   
6.     int  mnt_flags  =  0 ;  
   
7. 
   
8. 。。。  
   
9. 
   
10.     /* 通過mount目錄字符串獲取path，path結構中包含有mount目錄的dentry目錄對象*/  
    
11.     retval  =  kern_path (dir_name, LOOKUP_FOLLOW, &path);  
    
12.     if (retval)  
    
13.         return retval;  
    
14. 
    
15.     。。。  
    
16. 
    
17.     /* Separate the per-mountpoint flags */  
    
18.     if (flags & MS_NOSUID)  
    
19.         mnt_flags |= MNT_NOSUID;  
    
20.     if (flags & MS_NODEV)  
    
21.         mnt_flags |= MNT_NODEV;  
    
22.     if (flags & MS_NOEXEC)  
    
23.         mnt_flags |= MNT_NOEXEC;  
    
24.     if (flags & MS_NOATIME)  
    
25.         mnt_flags |= MNT_NOATIME;  
    
26.     if (flags & MS_NODIRATIME)  
    
27.         mnt_flags |= MNT_NODIRATIME;  
    
28.     if (flags & MS_STRICTATIME)  
    
29.         mnt_flags &= ~(MNT_RELATIME | MNT_NOATIME);  
    
30.     if (flags & MS_RDONLY)  
    
31.         mnt_flags |= MNT_READONLY;  
    
32. 
    
33.     flags &= ~(MS_NOSUID | MS_NOEXEC | MS_NODEV | MS_ACTIVE | MS_BORN |  
    
34.            MS_NOATIME | MS_NODIRATIME | MS_RELATIME| MS_KERNMOUNT |  
    
35.            MS_STRICTATIME);  
    
36. 
    
37.     /* remount操作 */  
    
38.     if (flags & MS_REMOUNT)  
    
39.         retval  =  do_remount (&path, flags & ~MS_REMOUNT, mnt_flags,  
    
40.                     data_page);  
    
41.     else if (flags & MS_BIND)  
    
42.         retval  =  do_loopback (&path, dev_name, flags & MS_REC);  
    
43.     else if (flags & (MS_SHARED | MS_PRIVATE | MS_SLAVE | MS_UNBINDABLE))  
    
44.         retval  =  do_change_type (&path, flags);  
    
45.     else if (flags & MS_MOVE)  
    
46.         retval  =  do_move_mount (&path, dev_name);  
    
47.     else  
    
48.         /* 正常的mount操作，完成具體的mount操作*/  
    
49.         retval  =  do_new_mount (&path, type_page, flags, mnt_flags,  
    
50.                       dev_name, data_page);  
    
51. dput_out:  
    
52.     path_put(&path);  
    
53.     return retval;  
    
54. }

複製代碼

do_new_mount()函數主要分成兩大部分：第一部分建立vfsmount對象和superblock對象，必要時從設備上獲取文件系統元數據；第二部分將vfsmount對象加入到mount樹和Hash Table中，並且將原來的dentry對象無效掉。do_new_mount函數說明如下：

1. static int do_new_mount(struct path *path, char *type, int flags,  
   
2.             int mnt_flags, char *name, void *data)  
   
3. {  
   
4.     struct vfsmount *mnt;  
   
5.     int err;  
   
6. 
   
7.     。。。  
   
8. 
   
9.     /* 在內核建立vfsmount對象和superblock對象*/  
   
10.     mnt  =  do_kern_mount (type, flags, name, data);  
    
11.     if (IS_ERR(mnt))  
    
12.         return PTR_ERR(mnt);  
    
13.     /* 將vfsmount對象加入系統，屏蔽原有dentry對象*/  
    
14.     err  =  do_add_mount (mnt, path, mnt_flags);  
    
15.     if (err)  
    
16.         mntput(mnt);  
    
17.     return err;  
    
18. }

複製代碼

do_new_mount()中的第一步調用do_kern_mount()函數，該函數的主幹調用路徑如下：

do_kern_mount--> vfs_kern_mount--> mount_fs
在mount_fs()函數中會調用特定文件系統的mount方法，如果mount是ext3文件系統，那麼在mount_fs函數中最終會調用ext3的mount方法。Ext3的mount方法定義在super.c文件中：

1. static struct file_system_type  ext3_fs_type  = {  
   
2.     .owner       =  THIS_MODULE ,  
   
3.     .name        =  "ext3" ,  
   
4.     .mount       =  ext3_mount , /* ext3文件系統mount方法*/  
   
5.     .kill_sb     =  kill_block_super ,  
   
6.     .fs_flags    =  FS_REQUIRES_DEV ,  
   
7. };

複製代碼

Ext3 mount函數主幹調用路徑為：ext3_mount--> mount_bdev。Mount_bdev()函數主要完成superblock對象的內存初始化，並且加入到全局superblock鍊錶中。該函數說明如下：

1. struct dentry *mount_bdev(struct file_system_type *fs_type,  
   
2.     int flags, const char *dev_name, void *data,  
   
3.     int (*fill_super)(struct super_block *, void *, int))  
   
4. {  
   
5.     struct block_device *bdev;  
   
6.     struct super_block *s;  
   
7.     fmode_t  mode  =  FMODE_READ  | FMODE_EXCL;  
   
8.     int  error  =  0 ;  
   
9. 
   
10.     if (!(flags & MS_RDONLY))  
    
11.         mode |= FMODE_WRITE;  
    
12.     /* 通過設備名字獲取被mount設備的bdev對象*/  
    
13.     bdev  =  blkdev_get_by_path (dev_name, mode, fs_type);  
    
14.     if (IS_ERR(bdev))  
    
15.         return ERR_CAST(bdev);  
    
16. 
    
17.     /*  
    
18.      * once the super is inserted into the list by sget, s_umount  
    
19.      * will protect the lockfs code from trying to start a snapshot  
    
20.      * while we are mounting  
    
21.      */  
    
22.     mutex_lock(&bdev- > bd_fsfreeze_mutex);  
    
23.     if (bdev- > bd_fsfreeze_count  >  0) {  
    
24.         mutex_unlock(&bdev- > bd_fsfreeze_mutex);  
    
25.         error  = -EBUSY;  
    
26.         goto error_bdev;  
    
27.     }  
    
28.     /* 查找或者創建superblock對象 */  
    
29.     s  =  sget (fs_type, test_bdev_super, set_bdev_super, bdev);  
    
30.     mutex_unlock(&bdev- > bd_fsfreeze_mutex);  
    
31.     if (IS_ERR(s))  
    
32.         goto error_s;  
    
33. 
    
34.     if (s- > s_root) {  
    
35.         /* 被mount文件系統的根目錄項已經存在*/  
    
36.         if ((flags ^ s- > s_flags) & MS_RDONLY) {  
    
37.             deactivate_locked_super(s);  
    
38.             error  = -EBUSY;  
    
39.             goto error_bdev;  
    
40.         }  
    
41. 
    
42.         /*  
    
43.          * s_umount nests inside bd_mutex during  
    
44.          * __invalidate_device(). blkdev_put() acquires  
    
45.          * bd_mutex and can't be called under s_umount. Drop  
    
46.          * s_umount temporarily. This is safe as we're  
    
47.          * holding an active reference.  
    
48.          */  
    
49.         up_write(&s- > s_umount);  
    
50.         blkdev_put(bdev, mode);  
    
51.         down_write(&s- > s_umount);  
    
52.     } else {  
    
53.         /* 文件系統根目錄項不存在，通過filler_super函數讀取磁盤上的superblock元數據信息，並且初始化superblock內存結構*/  
    
54.         char b[BDEVNAME_SIZE];  
    
55. 
    
56.         s- > s_flags  = flags | MS_NOSEC;  
    
57.         s- > s_mode  = mode;  
    
58.         strlcpy(s- > s_id, bdevname(bdev, b), sizeof(s- > s_id));  
    
59.         sb_set_blocksize(s, block_size(bdev));  
    
60.         /* 對於ext3文件系統，調用ext3_fill_super函數*/  
    
61.         error  =  fill_super (s, data, flags & MS_SILENT ? 1 : 0);  
    
62.         if (error) {  
    
63.             deactivate_locked_super(s);  
    
64.             goto error;  
    
65.         }  
    
66. 
    
67.         s- > s_flags |= MS_ACTIVE;  
    
68.         bdev- > bd_super  = s;  
    
69.     }  
    
70.     /* 正常返回被mount文件系統根目錄項*/  
    
71.     return dget(s- > s_root);  
    
72. 
    
73. error_s:  
    
74.     error  =  PTR_ERR (s);  
    
75. error_bdev:  
    
76.     blkdev_put(bdev, mode);  
    
77. error:  
    
78.     return ERR_PTR(error);  
    
79. }

複製代碼

do_new_mount()函數的第二步是將創建的vfsmount對象加入到mount樹和VFSMOUNT Hash Table中，並且將老的dentry目錄項無效掉。該過程主幹函數調用過程如下所示：

do_new_mount--> do_add_mount--> g​​raft_tree--> attach_recursive_mnt
attach_recursive_mnt()函數完成第二步過程的主要操作。至此，文件系統的mount操作已經完成。Mount完成之後，如果用戶想要訪​​問新mount文件系統中的文件，那麼需要在path解析過程中重定位dentry，該過程主要在follow_managed()函數中完成。在該函數中會判斷一個dentry是否已經被標識成DCACHE_MOUNTED，如果該標誌位已經被設置，那麼通過VFSMOUNT Hash Table可以重定位dentry。

如有不對之處，敬請指出更正（tl_wzj@yahoo.com.cn ）。

本文出自“ 存儲之道 ”博客，請務必保留此出處http://alanwu.blog.51cto.com/3652632/1105681

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