私有云架构中的文件系统设计与实践

文件系统是组织文件的一种形式，从而使得应用程序能够更具效率地对文件进行读写。Linux支持很多种文件系统类型，但整体来说它们或多或少有一些共同的元素，比如superblock、data block、metadata block、inode、timestamp等。

对于初学者而言，可以这样理解文件系统：一个文件系统是一个有很多抽屉的柜子，文件就是抽屉里装的东西，其中柜子、抽屉、文件的相关信息可以用superblock、block、inode或者其他名词进行描述，不同文件系统的区别主要体现于这些抽屉与文件的组织方法、柜子内的文件目录索引等。如果是类似Ceph、Gluster的分布式文件系统，我们可以将其理解成多个“柜子”组成的“柜子阵列”，相关细节会在本章第三节进行介绍。

如前所述，文件系统是对文件的组织形式，一个完整的文件系统实现中需要有到inode、superblock等基本元素的操作。为了让读者更好地理解这些内容，笔者从较为简单的simplefs（https：//github.com/psankar/simplefs）、aufs（https：//github.com/krinkinmu/aufs）和lwnfs（https：//gist.github.com/prashants/3496839）中选择只有300行左右的lwnfs作为实例，对文件系统模块所做的工作进行介绍。

首先我们创建目录lwnfs，如下所示编写模块Makefile，其中笔者的操作系统为Fedora 23，内核版本为4.4.5。

然后下载lwnfs.c并修改部分函数与变量以使其能够在Linux 4.4中编译，包括其中的inode结构和d＿alloc＿root（）函数，修改后的文件可以从https：//github.com/lofyer/lwnfs获取。通过阅读源码，我们可以看出这个文件系统模块的主要内容包括注册文件系统类型、注册inode操作等。

□注册文件系统类型

首先是模块注册函数，即向VFS注册文件系统。

□实现inode创建操作

不同文件系统的inode操作的实现有所不同，这是它们之间的主要差别之一，如下是lwnfs实现的inode操作。

□注册inode操作(www.xing528.com)

这些操作也就是用户对此文件系统中的文件可以执行的操作，lwnfs只实现了最基本的open（）、read（）、write（）。其中的lfs＿read＿file（）在会将被调用时且读取偏移量为0的情况下，将文件内容加1（数据类型为atomic＿t），然后将结果再写入至文件中。

□挂载时初始化superblock

其中涉及的两个主要函数是lfs＿get＿super（）和lfs＿fill＿super（），前者会获取superblock的dentry，并使用lfs＿fill＿super对这个super＿block进行初始化，初始化包括superblock的大小、标识符、可执行操作等。

□初始化文件系统

在挂载lwnfs后，其中与根目录相关的函数（来自内核libfs库，无需额外实现）会对挂载点内容进行更新，包括创建一个用于计数stats操作的文件“counter”、一个子目录“subdir”以及其中的“subcounter”。

接下来我们对其进行测试，包括挂载以及文件的读写。

由于未定义mkdir（）、create（）等inode操作，所以就不能进行目录或文件的创建，如下所示。

比如要实现创建目录的功能，我们定义并注册inode操作mkdir（），具体实现可参考其中的lfs＿create＿file函数以及aufs或者simplefs的实现。