【IT168 服务器学院】FreeBSD核心探讨.5.驱动程序篇
2.2 虚拟文件系统和v-node
FreeBSD在disk上的除了ffs以外还可以操作各种各样的文件系统。主要的如下：
。cd9660
可以对ISO9660形式的cd-rom的目录/文件构造的文件系统进行mount，locate等目录层的操作
。ms-dos
对ms-dos文件系统进行目录层次的mount，定位等操作
。mfs
通过使用虚拟内存对swap区的一部分进行unix文件系统的构造，定位作为目录的一部分进行读写
。nfs
由nfs server提供的remote目录级进行mount，定位的目录层操作。
。null
对已经存在的目录层的使用别名
。union
对已有的目录A（上层）在下层目录B上进行重叠 (不大理解这的意思，大概是在下层目录里面又嫁接了上层目录的意思：译者)。文件名的查找由上层优先进行。没有的话就转道下层。如果对下层的文件进行写操作，它的拷贝就在上层上进行。举例说明，作业目录在上层，但cd-rom的源在下层，两个目录重叠，那么编译source的时候，就相当方便了。
。procfs
对于进程号的目录作成mount point。通过文件名对各个目录的进程进行控制。
。kernfs
为了对动作中的kernel有关的信息进行参考，而作成的mount point
。fdesc
对于各个进程，用它所打开的文件柄对应的文件作成的mount point
实际上，在核心内部，为了对它们进行统一操作，就对文件系统和v-node 进行抽象化，实际的处理过程就是调用各类的文件系统的模块进行处理。
2.2.1对虚拟文件系统的操作
各个文件系统可以提供的操作的一览如下，它在struct vfsops
(@sys/mount.h)里面定义：
。对文件系统进行mount的操作
。本文件系统的开始动作的操作
。本文件系统的umount操作
。表达文件系统的根的v-node的查找操作
。对一般用户的权限控制
。取得文件系统的状态
。内存内的管理信息写入介质中
。从i-node到v-node的取得操作
。v-node和nfs的文件柄的相互变换的操作
。文件系统实际的模块的初始化
对于文件系统，各个实际的操作routine在vfsops的形式提供准备工作。各个文件系统的vfsops，在以下的表里的source进行定义：
--------------------------------------------------------------
file system vfsops的定义 source
--------------------------------------------------------------
ufs ufs_vfsops ufs/ffs/ffs_vfsops.c
cd9660 cd9660_vfsops isofs/cd9660/cd9660_vfsops.c
msdos msdosfs_vfsops msdosfs/msdosfs_vfsops.c
mfs mfs_vfsops ufs/mfs/mfs_vfops.c
nfs nfs_vfsops nfs/nfs_vfsops.c
null null_vfsops miscfs/nullfs/null_vfsops.c
nuion union_vfsops miscfs/union/union_vfsops.c
procfs procfs_vfsops miscfs/procfs/procfs_vfsops.c
kernfs kernfs_vfsops miscfs/kernfs/kernfs_vfsops.c
fdesc fdesc_vfsops miscfs/fdesc/fdesc_vfsops.c
devfs devfs_vfsops miscfs/devfs/devfs_vfsops.c
ext2fs ext2fs_vfsops gnu/ext2fs/ext2_vfsops.c
lfs lfs_vfsops ufs/lfs/lfs_vfsops.c
portal portal_vfsops miscfs/portal.portal_vfsops.c
umap umap_vfsops miscfs/umapfs/umap_vfsops.c
---------------------------------------------------------------
这些就是文件系统的实际模块(*_vfsops.c)，文件系统名称，文件系统号等等在struct vfsconf(@sys/mount.h)里面汇总，各个模块里用宏VFS_SET()进入核心。
根据main()(@kern/init_main.c),在kernel初始化的过程中，vfsinit()
(@kern/vfs_init.c)里面有
struct vfsconf *vfsconf[MOUNT_MAXTYPE+1];
struct vfsops *vfssw[MOUNT_MAXTYPE+1];
各种东西的设定，这些是，管理mount信息的struct mount(@sys/mount.h)的成员mnt_vfc和mnt_op要指定所对应的文件系统的vfsconf,vfssw。还有宏VFS_操作名(struct mount *,..)里，可以各个操作的调用。
2.2.2对v-node的操作
虚拟文件系统就是通过对i-node的抽象化之后的v-node的文件/目录进行io处理。
为了这个目的，作为对v-node的适用处理，有
。从v-node到文件名的查找，返回v-node
。打开/关闭v-node
。检查是否可能访问v-node
。得到-v-node的属性
。设定v-node的属性
。对v-node的输入/输出
。扩展v-node的硬连接和符号连接
。对v-node进行目录的作成和删除
。。。。
由这里开始，一共定义了41个。
v-node由struct vnode(@sys/vnode.h)里定义，作为类别在enum vtype 里面表示出来，一共是9种类。它包含着在各个文件系统上对各个的文件/目录（包括特殊）文件进行统一识别的信息。为了实现这样，v-node一连串的操作就是在各模块里通过宏VNODEOP_SET()和核心通讯。这些操作名和实现的routine只需要必要的几个对应。在核心初始化里，vfs_opv_init()(@kern/vfs_init.c)就使从数据得到的号码一一对应，收集了routine的地址的同一size的配列再进行组合。各个v-node就一个一个指向这些配列。对v-node的操作在vnode_if.h里定义：
它以
VOP_操作名(v-node,...)
的统一形式记述。
下面是对v-node的操作的定义source：
------------------------------------------------------------------------
各个v-node操作（vnodeopv） source
------------------------------------------------------------------------
cd9660_fifoop_opv_desc isofs/cd9660/cd9660_vnops.c
cd9660_specop_opv_desc isofs/cd9660/cd9660_vnops.c
cd9660_vnodeop_opv_desc isofs/cd9660/cd9660_vnops.c
dead_vnodop_opv_desc miscfs/deadfs/dead_devfs_vnops.c
devfs_vnodeop_desc miscfs/devfs/devfs_vnops.c
ext2fs_fifoop_opv_desc gnu/ext2fs/ext2fs_vnops.c
ext2fs_specop_opv_desc gnu/ext2fs/ext2fs_vnops.c
ext2fs_vnodeop_opv_desc gnu/ext2fs/ext2fs_vnops.c
fdesc_vnodeop_opv_desc miscfs/fdesc/fdesc_vnops.c
ffs_fifoop_opv_desc ufs/ffs/ffs_vnops.c
ffs_specop_opv_desc ufs/ffs/ffs_vnops.c
ffs_vnodeop_opv_desc ufs/ffs/ffs_vnops.c
fifo_nfsv2nodeop_opv_desc nfs/nfs_vnops.c
fifo_vnodeop_opv_desc miscfs/fifofs/fifo_vnops.c
kernfs_vnodeop_opv_desc miscfs/kernfs/kernfs_vnops.c
lfs_fifoop_opv_desc ufs/lfs/lfs_vnops.c
lfs_specop_opv_desc ufs/lfs/lfs_vnops.c
lfs_vnodeop_opv_desc ufs/lfs/lfs_vnops.c
mfs_vnodeop_opv_desc ufs/mfs/mfs_vnops.c
msdosfs_vnodeop_opv_desc msdosfs/msdosfs_vnops.c
nfsv2_vnodeop_opv_desc nfs/nfs_vnops.c
null_vnodeop_opv_desc miscfs/nullfs/null_vnops.c
portal_vnodeop_opv_desc miscfs/portal/portal_vnops.c
procfs_vnodeop_opv_desc miscfs/procfs/procfs_vnops.c
spec_nfsv2nodeop_opv_desc nfs/nfs_vnops.c
spec_vnodeop_opv_desc miscfs/specfs/spec_vnops.c
umap_vnodeop_opv_desc miscfs/umapfs/umap_vnops.c
union_vnodeop_opv_desc miscfs/union/union_vnops.c
------------------------------------------------------------------------
这个基础上，spec_vnodeop_opv_spec里描述的操作群就是device driver interface的东西！！
( 本小节完，待本岛主有空再继续 )
FreeBSD核心探讨.6.驱动程序篇
2.3 mount根目录之前的处理概要
mount根目录的时候，main()(@kern/init_main.c)的初始化的过程从xxx_vfs_mountroot()
(@kern/init_mail.c)被调用开始。如果处理过程正常，就对rootvp设定包含了root的v-node。
。main()的初始化过程中，configure()(@autoconf.c)被调用。在这个，io设备初始化完了后，就转移到如下两个变量的地址：一个是mountroot,是处理mount的routine, 另一个是mountrootvfsops,是处理虚拟文件系统的routine。在本机磁盘中，就进入变量rootdev所指定的disk号中。这里就是,假定本机磁盘
mountroot vfs_mountroot
mountrootvfsop &ufs_vfsops
rootdev boot disk number
。xxx_vfs_mountroot()(@kern/init_main.c)
运行(*mountroot)(mountrootvfsops)后，就指明了root file system的mount.
。vfs_mountroot()(@kern/vfs_conf.c)
管理mount的了文件系统的信息的struct mount(@sys/mount.h),对它进行确认，然后设定传递过来的对虚拟文件系统的操作群(&ufs_vfsops),才进行"root" 标记。根据VFS_MOUNT(mp,...)进行mount这个虚拟文件系统。mount成功后，就追加file system的list。这里，由于传递了 ufs_vfsops，就可以调用ffs_mount()(@ufs/ffs/ffs_vfsops.c)
。ffs_mount()
首先调用bdevvp()(@kern/vfs_subr.c),进行VBLK类别，spec_vnodeop_p(@misc/specfs/spec_vnops.c) v-node操作，保证设定了驱动号的rootdev的v-node的最新信息，然后设定rootvp。最后，通过ffs_mountfs()调用进行实际的mount rootvp操作。
。ffs_mountfs()
各种各样的检查完了后，调用VOP_OPEN(),打开rootvp的v-node。在这里，如果 v-node的v_op成员在spec_vnodeop_p存在的话，就调用spec_open()(@misc/
specfs/spec_vnops.c)。
.spec_open
由于VBLK里包含v-node的种类，从v-node指定的device号取得major的号，调用对应driver的XXopen() routine
续上，由VOP_IOCTL()(还是的通过spec_ioctl()(@misc/specfs/spec_vnops.c)) 可以得到partition信息，然后该检查super block的内容。正确的话，就在struct ufsmount(@ufs/ufs/ufsmount.h)设定unix file system，这样处理过程就完了。
2.2.4 struct buf 和block的输入输出routine
前节的ffs_mountfs()提到使用bread()(@kern/vfs_bio.c)读出partition的super block。这个接口函数很快就会解释。它主要用于读取block型的device到kernel内部的buffer中。
bread(struct vnode *vp, /*(in)输入对象的v-node*/
daddr_t blkno, /*(in)block号*/
int size, /*(in)读出的byte数量，block长的倍数*/
struct ucred * cred,/*(in)权限信息*/
struct buf ** bpp)/*(out)存储读来的data*/
同样的buffer link后的block输出的子程序是bwrite()。
bwrite(struct buf *bp) /*(out)可以输出的struct buf*/
两者之间共同的地方就是struct buf(@/sys/buf.h),它用于io处理中给device driver 做桥梁作用的数据结构。它记录了v-node,io的区别，可以io的block位置/byte数，存储实际data buffer的address，io处理的进展情况等。
bread则通过getblk()对block输入的结构struct buf进行操作。getblk()调用在核心管理buffer link和返回指定大小的block的struct buf。这个（缓冲区）内容在目的block是否存在与指定v-node的指定位置block是否已经构成缓冲环有关。struct buf 里面有一个标志位，当缓冲环内容变化是，这个标志位就会改变。bread()根据这个flag判断block是否已经缓冲，如果已经完成，它就终止退出。如果不是这样，则在struct buf的mark里面标志，然后调用VOP_STRATEGY()。在v-node登记的strategy routine记录了io处理的过程，所以bread()当实际的处理完了后，就调用biowait() 进入等待状态。然后，就转移到别的进程A。io处理完了后，调用biodone(),进程A 也可以继续进行。还有，调用bread()的一边，当完成操作后，就调用brelse(),在里面对struct buf的flag重新设置，让它对别的程序开放。
bwrite也是同样的通过VOP_STRATEGY()对io处理要求进行登记，同时也调用biowait() 进入等待状态，同样，当实际操作完了后，也设置flag进行复位，使得其他程序可以使用io，当空闲的时候，io就挂起，转向其他进程处理。
进程等待进入的时候，当然不限于只是调用biowait()。在bread()或者bwrite()之前，系统必须分配足够的资源供它使用，比如一些缓冲区等。当进行实际io时候，1个block 也可以，多个block也可以，而且这样可以获得更高的效率，这样看起来，就象实际上是连续操作了。
(代续)
FreeBSD核心探讨.7.驱动程序篇
2.2.5系统调用open()的处理概要
进程通过系统调用read()/write()进行io处理，它由文件描述符指定对哪里进行i/o，文件描述符是0以上的整数，它在各个进程的struct proc的成员struct filedesc *p_fd(struct filedesc(@sys/filedesc.h))保留的struct file ((@sys/file.h)进行选择添加。对struct file，它含有从文件的头的输入输出的byte 位置，输入操作，输出操作，输入输出控制，输入输出的准备状态的检查，执行close 的routine，以及描述io处理对象的信息(v-node,socket,pipe) 。系统调用open()
(@kern/vfs_syscalls.c)就是把包含路径信息的v-node找寻出来，为了对它进行io处理，先要对struct file进行初始化，然后返回文件描述符。
从路径名查找v-nodehe和io准备操作由vn_open()(@kern/vfs_vnops.c)承担。vn_open()通过namei()(@kern/vfs_lookup.c)查找路径对应的v-node名，由VOP_OPEN() 调用不同的v-node定义的准备过程routine。例如，有如下的处理方法。
。普通的file/directory
调用ufs_open()(@ufs/ufs/ufs_vnops.c)，检查open的mode
。特殊设备文件
调用spec_open()(@miscfs/specfs/spec_vnops.c)
文字型 调用device driver的open routine
快型 mount的时候出错。如果不是这样，就调用device driver的open routine。
回过头来，namei()的任务是就是，对于指定的路径名，对应于跟目录或者当前目录的v-node作为起点，通过lookup()(@kern/vfs_lookup.c)进行v-node查找。
lookup()从路径名开始的v-node(VDIR)开始查找。找到了的v-node作为新的起点继续进行查找下一步的要素名，然后得到目的的v-node。这个时候，根据v-node的不同，目录的检索方法也就不同。各个要素的实际检索由VOP_LOOKUP()来做。
2.2.6系统调用read()的处理概要
open()取得文件描述符后，对它的输入处理，有如下的流程。指定的文件描述符的struct file内登记的处理routine有vn_read()(@kern/vfs_vnops.c),vn_write(), vn_ioctl(),vn_select(),vn_closefile()，v_node
登记的操作routine不能分开使用。vn_*()里，只有在合适的前缀操作下，才能正确调用。
read()首先在struct uio(@sys/uio.h)登记进程指定的buffer的位置和长度。
执行read()后，vn_read()向struct file设定登记的文件的读写位置，然后调用VOP_READ()。
根据读出来的byte数，读写位置相应增加。
VOP_READ()的call routine则是与v-node有关，就象下图一样。
vn_read()
文字型/块型 |
/------------------
| | file/directory
spec_read() ---------ffs_read()-------VOP_READ()
block型 | |
/---------------|char型 |
bread() device driver bread()
| |
spec_strategy() ---------------ufs_strategy() --VOP_STRATEGY()
| | |
| | |
device driver spec_strategy() -------------/
|
|
device driver
。普通的file/directory
调用ffs_read()(@ufs/ufs/ufs_readwrite.c)。对应指定的读写位置，计算block的位置，然后用bread()读出来。读出来的数据送到进程所准备的缓冲区。从bread() 传递过来的block并不是物理block的位置，而是把file作为block列的一个理论值。
从理论块到物理块的变换由VOP_STARATEGY()完成。也就是说，ufs_strategy()先把文件内位置转化为物理block位置，然后从v-node记录的i-node把表示物理设备的v-node 去出来，这个VOP_STRATEGY就调用spec()(@miscfs/specfs/spec_vnops.c) 让它进行输入要求。
。特殊设备文件
通过调用spec_read()(@miscfs/specfs/spec_vnops.c),把它分为文字型和块型两类。
文字型 调用device driver的输入routine
块型 通过bread()进行输入处理
对文件的系统调用write()的场合也是类似的处理流程(ufs_write()->bwrite()), ufs_write()则要考虑到文件大小的延伸。
