1. 前言

文件系统是操作系统向用户提供一套存取数据的抽象数据结构，方便用户管理一组数据。文件系统在Linux操作系统中的位置在下图红框中标出，如Ext2、Ext4等。而在windows中现在常用的文件系统为NTFS、exFAT等，想必大家在格式化U盘、硬盘的时候就经常见到了。

为什么要用文件系统来存取数据呢？是为了图个方便。试想如果没有文件系统，放置在存储介质（硬盘）中的数据将是一个庞大的数据主体，无法分辨一个数据从哪里停止，下一个数据又从哪里开始。通过将数据分为一块一块的，并为每一块都赋予一个名字，数据将会很容易隔离和确定。当然这都是在逻辑上去划分。既然是在逻辑上划分，那总得有个依据，将划分的结果落实下来。这时候我们就需要创建一系列的数据结构（包含数据和对此数据的一系列操作），来表示我们划分的逻辑，这就是文件系统。

2. 如何编写文件系统

编写文件系统涉及一些基本数据结构。需要建立一个结构，4个操作表，如下所示。

• 文件系统类型结构(file_system_type);
• 超级块操作表(super_operations);
• 索引结点操作表(inode_operations>;
• 页缓冲区表(address_space_operations);
• 文件操作表(file_operations)。
  以上基本数据结构和操作函数，贯穿了整个文件系统的主要过程，下面具体分析这几个结构和文件系统实现的要点。
  一个通常意义上的文件系统驱动可以单独被编译成模块动态加载，也可以被直接编译到内核中，为了调试的方便，本文中的文件系统采用动态加载的方式实现。实现一个文件系统必须遵照内核的一些“规则”，以下我将以递进的顺序阐述文件系统的实现过程。
  文件系统既然基于可加载内核模块，自然也需要实现module_init以及mocule_exit，就从module_init函数开始入手。
  首先，必须建立一个文件系统类型(file_system_type)来描述文件系统,它含有文件系统的名称、类型标志以及get_sb()等操作。当安装文件系统时,系统会对该文件系统进行注册,即填充file_system_type结构,然后调用get_sb()函数来建立该文件系统的超级块。
  对于特定的文件系统, 该文件系统的所有的superblock 都存在于file_sytem_type中的fs_supers链表中，而所有的文件系统，都存在于file_systems链表中。通过调用register_filesystem接口来注册文件系统，将一个新的文件系统类型加入到链表中。

int register_filesystem(struct file_system_type * fs)
注册成功以后，需要对文件系统进行挂载，因为是基于内存的文件系统，没有实际的磁盘，无法使用命令进行挂载，所以在模块初始化的时候使用内核函数kern_mount进行挂载。挂载主要完成的任务是调用file_system_type中的 mount方法，通过该方法获取该文件系统的根目录dentry，同时也获取super_block.。file_system_type的mount方法kernel也提供了已经实现的函数：mount_single，mount_pseudo等。
接下来创建若干文件和目录，用于后面进行读写操作。创建文件和目录会在向内核申请inode、dentry结构体，并且对其中的主要成员变量进行初始化。
最后就是实现文件的打开、读、写操作。通过使用内核中提供的环形缓冲区kfifo，实现对文件的读写操作。

3. 初始化内核模块

文件系统内核模块一共做了三件事情，首先是使用内核函数register_filesystem注册自定义文件系统的类型到内核，也就是把file_system_type结构体注册到内核。

其中包含了执行mount时候的回调函数myfs_get_sb。
然后通过kern_mount函数安装一次。最后创建两个文件夹，每个文件夹里面创建两个文件。
为什么要在内核模块初始化的时候mount？这是基于内存的文件系统的特殊之处，这种没有具体设备的文件系统不能直接通过mount命令安装，而是先由系统内核在内核模块初始化时自动的通过一个函数kern_mount安装一次，这个时候文件系统已经安装到了/proc节点下。使用cat /proc/filesystems查看：

然后再使用mount命令进行重安装，指定挂载的目录。
kern_mount安装成功以后就会返回一个vfsmount结构体，该结构体与mount结构体结合作为一个设备和目录节点的连接件。定义如下：

mnt_root指针指向所安装设备的dentry数据结构，mnt_sb指向所安装设备的超级块数据结构。
mnt_mountpoint指向安装点的dentry数据结构，这样就在安装目录和设备根目录二者直接搭起了一座桥梁。

内核模块初始化代码如下：

4. 创建目录和文件

创建目录的函数如下：

该函数指定了创建的是目录和用户权限，然后调用了myfs_creat_file。

data表示inode的私有数据，fops为文件操作集，这里创建的是目录赋值为空。

紧接着调用myfs_creat_by_name函数创建目录或者普通文件。

该函数主要判断是否指定了父目录，如果没有就使用文件系统根目录，然后根据名字去查找是否已经存在该目录项，找不到就创建一个目录项，然后根据传进来的标志判断该目录项是指向普通文件还是目录。分别调用myfs_mkdir和myfs_creat函数。接下来看myfs_mkdir。

该函数调用myfs_mknod把创建的inode和dentry连接起来，并且增加根目录引用计数。

myfs_mknod调用myfs_get_inode创建inode，并且关联inode和dentry。

myfs_get_inode完成了创建并且初始化一个inode的功能。
至此，创建目录的流程就结束了，创建文件同理，只不过传入的标志不同而已。

5. 实现文件操作集

前面使用myfs_creat_file创建普通文件，会传入一个myfs_file_operations结构体，里面定义了对该文件系统中文件的操作函数。

三个操作函数的实现如下：

由于没有具体的设备，读写借用了内存中的环形缓冲区kfifo。