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我们一起学学加载根文件系统
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可是硬盘中凭什么就有了这些信息呢?这就是个鸡生蛋蛋生鸡的问题了。你可以先写一个操作系统,然后给一个硬盘做某种文件系统类型的格式化,这样你就得到一个有文件系统的硬盘了,有了这个硬盘,你的操作系统就可以成功启动了。

书接上回,上回书咱们说到,我们已经把硬盘的基本信息存入了 hd_info[]。

把硬盘的分区信息存入了 hd[]。

并且留了个读取硬盘数据的 bread 函数没有讲,等主流程讲完再展开这些函数的细节,我知道这是你们关心的内容。

这些都是 setup 方法里做的事情,也就是进程 0 fork 出的进程 1 所执行的第一个方法。

今天我们说 setup 方法中的最后一个函数 mount_root。

int sys_setup(void * BIOS) {
...
mount_root();
}

mount_root 直译过来就是加载根。

再多说几个字是加载根文件系统,有了它之后,操作系统才能从一个根儿开始找到所有存储在硬盘中的文件,所以它是文件系统的基石,很重要。

我们翻开看看。

void mount_root(void) {
int i,free;
struct super_block * p;
struct m_inode * mi;

for(i=0;i<64;i++)
file_table[i].f_count=0;

for(p = &super_block[0] ; p < &super_block[8] ; p++) {
p->s_dev = 0;
p->s_lock = 0;
p->s_wait = NULL;
}
p=read_super(0);
mi=iget(0,1);

mi->i_count += 3 ;
p->s_isup = p->s_imount = mi;
current->pwd = mi;
current->root = mi;
free=0;
i=p->s_nzones;
while (-- i >= 0)
if (!set_bit(i&8191,p->s_zmap[i>>13]->b_data))
free++;

free=0;
i=p->s_ninodes+1;
while (-- i >= 0)
if (!set_bit(i&8191,p->s_imap[i>>13]->b_data))
free++;
}

很简单。

从整体上说,它就是要把硬盘中的数据,以文件系统的格式进行解读,加载到内存中设计好的数据结构,这样操作系统就可以通过内存中的数据,以文件系统的方式访问硬盘中的一个个文件了。

那其实搞清楚两个事情即可:

第一,硬盘中的文件系统格式是怎样的?

第二,内存中用于文件系统的数据结构有哪些?

我们一个个来。

硬盘中的文件系统格式是怎样的?

首先硬盘中的文件系统,无非就是硬盘中的一堆数据,我们按照一定格式去解析罢了。Linux-0.11 中的文件系统是 MINIX 文件系统,它就长成这个样子。

每一个块结构的大小是 1024 字节,也就是 1KB,硬盘里的数据就按照这个结构,妥善地安排在硬盘里。

可是硬盘中凭什么就有了这些信息呢?这就是个鸡生蛋蛋生鸡的问题了。你可以先写一个操作系统,然后给一个硬盘做某种文件系统类型的格式化,这样你就得到一个有文件系统的硬盘了,有了这个硬盘,你的操作系统就可以成功启动了。

总之,想个办法给这个硬盘写上数据呗。

好了,现在我们简单看看 MINIX 文件系统的格式。

引导块就是我们系列最开头说的启动区,当然不一定所有的硬盘都有启动区,但我们还是得预留出这个位置,以保持格式的统一。

超级块用于描述整个文件系统的整体信息,我们看它的字段就知道了,有后面的 inode 数量,块数量,第一个块在哪里等信息。有了它,整个硬盘的布局就清晰了。

inode 位图和块位图,就是位图的基本操作和作用了,表示后面 inode 和块的使用情况,和我们之前讲的内存占用位图 mem_map[] 是类似的。

再往后,inode 存放着每个文件或目录的元信息和索引信息,元信息就是文件类型、文件大小、修改时间等,索引信息就是大小为 9 的 i_zone[9] 块数组,表示这个文件或目录的具体数据占用了哪些块。

其中块数组里,0~6 表示直接索引,7 表示一次间接索引,8 表示二次间接索引。当文件比较小时,比如只占用 2 个块就够了,那就只需要 zone[0] 和 zone[1] 两个直接索引即可。

再往后,就都是存放具体文件或目录实际信息的块了。如果是一个普通文件类型的 inode 指向的块,那里面就直接是文件的二进制信息。如果是一个目录类型的 inode 指向的块,那里面存放的就是这个目录下的文件和目录的 inode 索引以及文件或目录名称等信息。

好了,文件系统格式的说明,我们就简单说明完毕了,MINIX 文件系统已经过时。

内存中用于文件系统的数据结构有哪些?

赶紧回过头来看我们的代码,是如何加载以这样一种格式存放在硬盘里的数据,以被我们操作系统所管控的。

从头看。

struct file {
unsigned short f_mode;
unsigned short f_flags;
unsigned short f_count;
struct m_inode * f_inode;
off_t f_pos;
};

void mount_root(void) {
for(i=0;i<64;i++)
file_table[i].f_count=0;
...
}

把 64 个 file_table 里的 f_count 清零。

这个 file_table 表示进程所使用的文件,进程每使用一个文件,都需要记录在这里,包括文件类型、文件 inode 索引信息等,而这个 f_count 表示被引用的次数,此时还没有引用,所以设置为零。

而这个 file_table 的索引,就是我们通常说的文件描述符。比如有如下命令。

echo "hello" > 0

就表示把 hello 输出到 0 号文件描述符。

0 号文件描述符是哪个文件呢?就是 file_table[0] 所表示的文件。

这个文件在哪里呢?注意到 file 结构里有个 f_inode 字段,通过 f_inode 即可找到它的 inode 信息,inode 信息包含了一个文件所需要的全部信息,包括文件的大小、文件的类型、文件所在的硬盘块号,这个所在硬盘块号,就是文件的位置咯。

接着看。

struct super_block super_block[8];
void mount_root(void) {
...
struct super_block * p;
for(p = &super_block[0] ; p < &super_block[8] ; p++) {
p->s_dev = 0;
p->s_lock = 0;
p->s_wait = NULL;
}
...
}

又是把一个数组 super_block 做清零工作。

这个 super_block 存在的意义是,操作系统与一个设备以文件形式进行读写访问时,就需要把这个设备的超级块信息放在这里。

这样通过这个超级块,就可以掌控这个设备的文件系统全局了。

果然,接下来的操作,就是读取硬盘的超级块信息到内存中来。

void mount_root(void) {
...
p=read_super(0);
...
}

read_super 就是读取硬盘中的超级块。

接下来,读取根 inode 信息。

struct m_inode * mi;
void mount_root(void) {
...
mi=iget(0,1);
...
}

然后把该 inode 设置为当前进程(也就是进程 1)的当前工作目录和根目录。

void mount_root(void) {
...
current->pwd = mi;
current->root = mi;
...
}

然后记录块位图信息。

void mount_root(void) {
...
i=p->s_nzones;
while (-- i >= 0)
set_bit(i&8191, p->s_zmap[i>>13]->b_data);
...
}

最后记录 inode 位图信息。

void mount_root(void) {
...
i=p->s_ninodes+1;
while (-- i >= 0)
set_bit(i&8191, p->s_imap[i>>13]->b_data);
}

就完事了。

其实整体上就是把硬盘中文件系统的各个信息,搬到内存中。之前的图可以说非常直观了。

有了内存中的这些结构,我们就可以顺着根 inode,找到所有的文件了。

至此,加载根文件系统的 mount_root 函数就全部结束了。同时,让我们回到全局视野,发现 setup 函数也一并结束了。

void main(void) {
...
move_to_user_mode();
if (!fork()) {
init();
}
for(;;) pause();
}

void init(void) {
setup((void *) &drive_info);
...
}

int sys_setup(void * BIOS) {
...
mount_root();
}

setup 的主要工作就是我们今天所讲的,加载根文件系统。

我们继续往下看 init 函数。

void init(void) {
setup((void *) &drive_info);
(void) open("/dev/tty0",O_RDWR,0);
(void) dup(0);
(void) dup(0);
}

看到这相信你也明白了。

之前 setup 函数的一番折腾,加载了根文件系统,顺着根 inode 可以找到所有文件,就是为了下一行 open 函数可以通过文件路径,从硬盘中把一个文件的信息方便地拿到。

在这里,我们 open 了一个 /dev/tty0 的文件,那我们接下来的焦点就在这个 /dev/tty0 是个啥?

责任编辑:武晓燕 来源: 低并发编程
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