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FAT 文件系统代码分析–文件系统挂载篇
当前内核版本：Linux-5.9。
先上一个整理好的图：关联结构体file、inode、superblock、filesystem type以及各自的操作集合。
代码大纲分析
我们到Linux内核代码的fs/fat下查看一下：
tree
.
├── Kconfig
├── Makefile
├── cache.c
├── dir.c
├── fat.h
├── fatent.c
├── file.c
├── inode.c
├── misc.c
├── namei_msdos.c
├── namei_vfat.c
└── nfs.c
0 directories, 12 files
可以看到FAT文件系统代码组织应该算是比较简单的。我们来看一下Makefile：
#
# Makefile for the Linux fat filesystem support.
#
obj-$(CONFIG_FAT_FS) += fat.o
obj-$(CONFIG_VFAT_FS) += vfat.o
obj-$(CONFIG_MSDOS_FS) += msdos.o
fat-y := cache.o dir.o fatent.o file.o inode.o misc.o nfs.o
vfat-y := namei_vfat.o
msdos-y := namei_msdos.o
再来看一下内核的config文件：
#
# DOS/FAT/NT Filesystems
#
CONFIG_FAT_FS=y
CONFIG_MSDOS_FS=y
CONFIG_VFAT_FS=y
CONFIG_FAT_DEFAULT_CODEPAGE=437
CONFIG_FAT_DEFAULT_IOCHARSET="iso8859-1"
# CONFIG_FAT_DEFAULT_UTF8 is not set
# CONFIG_NTFS_FS is not set
可以看到上面的配置都是有配置的，所以说在fs/fat下的源码基本都是被编译进内核的。
我们先从文件名上猜测一下每个源文件都是干什么的：
cache.c：名字很明显，就是cache，至于什么是cache，咱也说不清，咱也不敢说，过dir.c：嗯，这个应该就是和目录相关的操作了fatent.c：这个应该就是和目录项相关的了，每种文件系统在磁盘上的表现形式不同，这个应该是和磁盘上的存储表现形式比较相关。file.c：看名字就应该是和文件相关的操作inode.c：和inode相关的操作咯misc.c：看名字就是大杂烩，应该是会提供一些各式各样的公用的借口供其他使用namei_msdos.c：msdos文件系统咯namei_vfat.c：vfat文件系统nfs.c：网络的nfs文件系统
猜测完前面几个源文件的作用后，我们先到每个源文件下查看一下一些重要的结构体，应该会有不错的收获。
源文件下重要的结构体(实例)
cache.c
cache.c这个文件下，只有两个结构体，一个是fat_cache，另一个是fat_cache_id，fat_cache应该是用来组织cache的，而fat_cache_id应该是用来加快寻找的。然后还有一个静态变量fat_cache_cachep，记录申请的cache的地址。这个cache.c搞不懂，多说多错，有机会慢慢学习一下。
/* this must be > 0. */
#define FAT_MAX_CACHE 8
struct fat_cache {
struct list_head cache_list;
int nr_contig; /* number of contiguous clusters */
int fcluster; /* cluster number in the file. */
int dcluster; /* cluster number on disk. */
};
struct fat_cache_id {
unsigned int id;
int nr_contig;
int fcluster;
int dcluster;
};
static struct kmem_cache *fat_cache_cachep;
dir.c
dir.c：应该就是和目录相关的操作，文件中有一个比较重要的结构体fat_dir_operations：
const struct file_operations fat_dir_operations = {
.llseek = generic_file_llseek,
.read = generic_read_dir,
.iterate_shared = fat_readdir,
.unlocked_ioctl = fat_dir_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = fat_compat_dir_ioctl,
#endif
.fsync = fat_file_fsync,
};
这个结构体的.llseek、.read是指向的通用的接口，而剩余的.iterate_shared、.unlocked_ioctl、.compat_ioctl、.fsync等接口都是FAT自身另外实现的。
fatent.c
fatent.c应该就是和目录项操作相关的了，查看了一下，发现有fat12_ops、fat16_ops和fat32_ops，前面两个已经很少使用了，重点关注fat32_ops就可以了：
struct fatent_operations {
void (*ent_blocknr)(struct super_block *, int, int *, sector_t *);
void (*ent_set_ptr)(struct fat_entry *, int);
int (*ent_bread)(struct super_block *, struct fat_entry *,
int, sector_t);
int (*ent_get)(struct fat_entry *);
void (*ent_put)(struct fat_entry *, int);
int (*ent_next)(struct fat_entry *);
};
static const struct fatent_operations fat32_ops = {
.ent_blocknr = fat_ent_blocknr,
.ent_set_ptr = fat32_ent_set_ptr,
.ent_bread = fat_ent_bread,
.ent_get = fat32_ent_get,
.ent_put = fat32_ent_put,
.ent_next = fat32_ent_next,
};
file.c
file.c是和文件相关的操作，有以下两个结构体：
const struct file_operations fat_file_operations = {
.llseek = generic_file_llseek,
.read_iter = generic_file_read_iter,
.write_iter = generic_file_write_iter,
.mmap = generic_file_mmap,
.release = fat_file_release,
.unlocked_ioctl = fat_generic_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
.compat_ioctl = fat_generic_compat_ioctl,
#endif
.fsync = fat_file_fsync,
.splice_read = generic_file_splice_read,
.fallocate = fat_fallocate,
};
const struct inode_operations fat_file_inode_operations = {
.setattr = fat_setattr,
.getattr = fat_getattr,
};
至于这两个结构体什么时候被注册、什么时候被使用我们在后续中再继续分析。
可以看到.llseek、.read_iter、.write_iter、.mmap、.splice_read这些接口是使用的通用的接口函数，.release、.unlocked_ioctl、.compat_ioctl、.fsync、.fallocate都是FAT自身实现的。
至于获得和设置属性的，也都是FAT自己实现的。
inode.c
关于inode的操作，这里的结构体就大部分是FAT本身自己实现的了：
static const struct address_space_operations fat_aops = {
.readpage = fat_readpage,
.readpages = fat_readpages,
.writepage = fat_writepage,
.writepages = fat_writepages,
.write_begin = fat_write_begin,
.write_end = fat_write_end,
.direct_IO = fat_direct_IO,
.bmap = _fat_bmap
};
static const struct super_operations fat_sops = {
.alloc_inode = fat_alloc_inode,
.destroy_inode = fat_destroy_inode,
.write_inode = fat_write_inode,
.evict_inode = fat_evict_inode,
.put_super = fat_put_super,
.statfs = fat_statfs,
.remount_fs = fat_remount,
.show_options = fat_show_options,
};
fat_aops对应的就是地址空间（address_space）的相关操作了，fat_sops则是关于超级块的相关操作。
misc.c
这里面没有定义相关的结构体以及结构体实例，后面在讲这个文件时再分析。
namei_msdos.c
namei_msdos.c文件应该是msdos文件系统的实现。
这个文件有以下几个结构体：
static const struct dentry_operations msdos_dentry_operations = {
.d_hash = msdos_hash,
.d_compare = msdos_cmp,
};
static const struct inode_operations msdos_dir_inode_operations = {
.create = msdos_create,
.lookup = msdos_lookup,
.unlink = msdos_unlink,
.mkdir = msdos_mkdir,
.rmdir = msdos_rmdir,
.rename = msdos_rename,
.setattr = fat_setattr,
.getattr = fat_getattr,
};
static struct file_system_type msdos_fs_type = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = "msdos",
.mount = msdos_mount,
.kill_sb = kill_block_super,
.fs_flags = FS_REQUIRES_DEV,
};
MODULE_ALIAS_FS("msdos");
msdos_dentry_operations结构体应该是用来加速寻找目录项的；msdos_dir_inode_operations结构体则是关于msdos文件系统的文件创建、查找、删除、目录的创建、删除和重命名（文件以及目录）、属性的设置与获取；msdos_fs_type则是用于注册文件系统的一个结构体。
namei_vfat.c
同理，namei_vfat.c文件应该是vfat文件系统的实现。
有以下结构体：
static const struct dentry_operations vfat_ci_dentry_ops = {
.d_revalidate = vfat_revalidate_ci,
.d_hash = vfat_hashi,
.d_compare = vfat_cmpi,
};
static const struct dentry_operations vfat_dentry_ops = {
.d_revalidate = vfat_revalidate,
.d_hash = vfat_hash,
.d_compare = vfat_cmp,
};
static const struct inode_operations vfat_dir_inode_operations = {
.create = vfat_create,
.lookup = vfat_lookup,
.unlink = vfat_unlink,
.mkdir = vfat_mkdir,
.rmdir = vfat_rmdir,
.rename = vfat_rename,
.setattr = fat_setattr,
.getattr = fat_getattr,
};
static struct file_system_type vfat_fs_type = {
.owner = THIS_MODULE,
.name = "vfat",
.mount = vfat_mount,
.kill_sb = kill_block_super,
.fs_flags = FS_REQUIRES_DEV,
};
自然，这些结构体作用与在namei_msdos.c中的类似，vfat_ci_dentry_ops和vfat_dentry_ops结构体应该是用来加速寻找目录项的；vfat_dir_inode_operations结构体则是关于vfat文件系统的文件创建、查找、删除、目录的创建、删除和重命名（文件以及目录）、属性的设置与获取；vfat_fs_type则是用于注册文件系统的一个结构体。
nfs.c
在nfs.c中，就明显与前面两个不同，只提供了两个结构体fat_export_ops和fat_export_ops_nostale，并且里面的成员也只有寥寥几个：
const struct export_operations fat_export_ops = {
.fh_to_dentry = fat_fh_to_dentry,
.fh_to_parent = fat_fh_to_parent,
.get_parent = fat_get_parent,
};
const struct export_operations fat_export_ops_nostale = {
.encode_fh = fat_encode_fh_nostale,
.fh_to_dentry = fat_fh_to_dentry_nostale,
.fh_to_parent = fat_fh_to_parent_nostale,
.get_parent = fat_get_parent,
};
FAT文件系统注册
vfat层
接下来就看一下文件系统的注册过程。
在“namei_vfat.c文件中，我们可以看到下面的这段代码：
可以看到，注册vfat文件系统只需要调用register_filesystem函数并且传入struct file_system_type类型的vfat_fs_type参数即可完成注册，至于内核如何完成文件系统的注册，我们后面有机会再讲，这里我们主要关注vfat文件系统本身的行为即可。反注册则调用unregister_filesystem函数传入vfat_fs_type参数。
我们来看一下vfat_fs_type这个结构体，里面的.mount成员指向的是vfat_mount()函数，每个文件系统都有自身的特性，挂载时需要根据自身的特性来实现不同的挂载函数。我们这里来看一下vfat_mount()函数，这个函数也是调用的内核的一个挂载块设备的接口，但我们注意到最后一个参数是vfat_fill_super，这个是挂载时用来填充文件系统超级块的一个接口。我们看一下vfat_fill_super()，这里看到vfat_fill_super()调用了inode.c文件里面的fat_fill_super()函数，同时也传入了一个setup接口，这个setup接口在给超级块的dir_ops以及s_d_op赋值，即建立当前超级块相关的操作集合索引。
在这里，我们再回头看一下，文件系统结构体struct file_system_type以及超级块struct super_block的相关内容。
file_system_type
struct file_system_type：
super_block
struct super_block：
inode层
上面注册时最后调用的函数是fat_fill_super()，这个函数比较长，分为8段解析，在过程中参杂着FAT文件系统协议相关的内容。
fat_fill_super-1
fat_fill_super-1 ：涉及一个启动扇区信息，以及操作集的赋值。
这里一开始就定义了一个变量struct fat_bios_param_block bpb，这个是用来记录启动扇区相关的信息，我们来看一下它里面具体的内容：
fat_bios_param_block
这个信息为什么这样定义，那么就是协议的内容了，协议上，启动扇区长这样：
msdos_sb_info
还有另一个结构体struct msdos_sb_info：
fat_sops
fat_sops是关于inode的申请、释放、回显等操作，后面再详细看里面的函数。
fat_export_ops
fat_export_ops关于网络文件系统的操作暂时没有了解，略过。
fat_fill_super-2
接下来看第二段fat_fill_super-2 ：涉及挂载参数解析，读启动扇区并解析记录启动扇区的内容。
fat_boot_sector
在1656行可以看到，一个结构体struct fat_boot_sector，长这样：实际是与协议上一一对应的。
fat_read_bpb()函数就是简单的赋值过程：
fat_fill_super-3
接下来看第三段fat_fill_super-3 ：赋值一些fat文件系统相关的参数。
fat_fill_super-4
接下来看第三段fat_fill_super-4 ：FAT32根目录簇赋值，读取FS INFO信息。
fat_boot_fsinfo
结构体struct fat_boot_fsinfo，里面记录着两个主要信息，空闲簇数量以及最近在使用的空闲簇。
在协议中有定义：
fat_fill_super-5
接下来看第三段fat_fill_super-5 ：计算目录开始存放的地址以及数据开始存放的地址。
msdos_dir_entry
在上面的1761行，有一个目录结构体：
fat_fill_super-6
接下来看第三段fat_fill_super-6 ：对空闲簇数量进行校验，哈希表初始化，以及根据不同的文件系统赋值操作对应目录项的集合。
fat_ent_access_init() :对目录项操作集合赋值。
fat32_ops()：这里就是内部目录项与磁盘数据交互的协助函数，具体函数后续再看。
fat_fill_super-7
接下来看第三段fat_fill_super-7 ：主要是申请了三个inode节点，并初始化root节点相关的内容。
fat_read_root()里面主要关注了一个文件操作集合的赋值：
具体的文件操作集合fat_dir_operations如下：
fat_fill_super-8
接下来看第三段fat_fill_super-8 ：设置挂载状态，并回写到磁盘，以及最后的出错处理。
fat_set_state()函数关注下面的赋值与回写：
到这里整个文件系统算是注册完成了。
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