鴻蒙輕內核M核源碼分析系列之虛擬文件系統VFS

作者：zhushangyuan_ 2022-01-14 08:39:47

VFS(Virtual File System)是文件系統的虛擬層，它不是一個實際的文件系統，而是一個異構文件系統之上的軟件粘合層，為用戶提供統一的類Unix文件操作接口。

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VFS(Virtual File System)是文件系統的虛擬層，它不是一個實際的文件系統，而是一個異構文件系統之上的軟件粘合層，為用戶提供統一的類Unix文件操作接口。由于不同類型的文件系統接口不統一，若系統中有多個文件系統類型，訪問不同的文件系統就需要使用不同的非標準接口。而通過在系統中添加VFS層，提供統一的抽象接口，屏蔽了底層異構類型的文件系統的差異，使得訪問文件系統的系統調用不用關心底層的存儲介質和文件系統類型，提高開發效率。本文先介紹下VFS的結構體和全局變量，然后詳細分析下VFS文件操作接口。文中所涉及的源碼，均可以在開源站點https://gitee.com/openharmony/kernel_liteos_m 獲取。

1、VFS結構體定義

在文件components\fs\vfs\fs_operations.h中定義了VFS虛擬文件系統操作涉及的結構體。⑴處的struct MountOps結構體封裝了掛載相關的操作，包含掛載、卸載和文件系統統計操作。⑵處的struct FsMap結構體映射文件系統類型及其對應的掛載操作和文件系統操作，支持的文件類型包含“fat”和“littlefs”兩種，通過這個結構體可以獲取對應文件類型的掛載操作及文件系統操作接口。⑶處的struct FileOps封裝文件系統的操作接口，包含文件操作、目錄操作，統計等相應的接口。

⑴  struct MountOps { 
        int (*Mount)(const char *source, const char *target, const char *filesystemtype, unsigned long mountflags, 
            const void *data); 
        int (*Umount)(const char* target); 
        int (*Umount2)(const char* target, int flag); 
        int (*Statfs)(const char *path, struct statfs *buf); 
    }; 
 
⑵  struct FsMap { 
        const char *fileSystemtype; 
        const struct MountOps *fsMops; 
        const struct FileOps *fsFops; 
    }; 
 
⑶  struct FileOps { 
        int (*Open)(const char *path, int openFlag, ...); 
        int (*Close)(int fd); 
        int (*Unlink)(const char *fileName); 
        int (*Rmdir)(const char *dirName); 
        int (*Mkdir)(const char *dirName, mode_t mode); 
        struct dirent *(*Readdir)(DIR *dir); 
        DIR *(*Opendir)(const char *dirName); 
        int (*Closedir)(DIR *dir); 
        int (*Read)(int fd, void *buf, size_t len); 
        int (*Write)(int fd, const void *buf, size_t len); 
        off_t (*Seek)(int fd, off_t offset, int whence); 
        int (*Getattr)(const char *path, struct stat *buf); 
        int (*Rename)(const char *oldName, const char *newName); 
        int (*Fsync)(int fd); 
        int (*Fstat)(int fd, struct stat *buf); 
        int (*Stat)(const char *path, struct stat *buf); 
        int (*Ftruncate)(int fd, off_t length); 
    };

2、VFS重要的內部全局變量

在文件components\fs\vfs\los_fs.c中有2個全局變量比較重要，⑴處定義的數組g_fsmap維護文件系統類型映射信息，數組大小為2，支持"fat"和"littlefs"文件類型。⑵處的變量g_fs根據掛載的文件類型指向數組g_fsmap中的FsMap類型元素。⑶處的函數InitMountInfo()會給數組g_fsmap進行初始化賦值。第0個元素維護的"fat"文件類型的文件系統映射信息，第1個元素維護的"littlefs"文件類型的文件系統映射信息。涉及到的掛載操作、文件系統操作變量g_fatfsMnt、g_fatfsFops、g_lfsMnt、g_lfsFops在對應的文件系統文件中定義。⑷處的函數MountFindfs()用于根據文件類型從數組中獲取文件映射信息。

⑴  static struct FsMap g_fsmap[MAX_FILESYSTEM_LEN] = {0}; 
⑵  static struct FsMap *g_fs = NULL; 
 
⑶  static void InitMountInfo(void) 
    { 
    #if (LOSCFG_SUPPORT_FATFS == 1) 
        extern struct MountOps g_fatfsMnt; 
        extern struct FileOps g_fatfsFops; 
        g_fsmap[0].fileSystemtype = strdup("fat"); 
        g_fsmap[0].fsMops = &g_fatfsMnt; 
        g_fsmap[0].fsFops = &g_fatfsFops; 
    #endif 
    #if (LOSCFG_SUPPORT_LITTLEFS == 1) 
        extern struct MountOps g_lfsMnt; 
        extern struct FileOps g_lfsFops; 
        g_fsmap[1].fileSystemtype = strdup("littlefs"); 
        g_fsmap[1].fsMops = &g_lfsMnt; 
        g_fsmap[1].fsFops = &g_lfsFops; 
    #endif 
    } 
 
⑷  static struct FsMap *MountFindfs(const char *fileSystemtype) 
    { 
        struct FsMap *m = NULL; 
 
        for (int i = 0; i < MAX_FILESYSTEM_LEN; i++) { 
            m = &(g_fsmap[i]); 
            if (m->fileSystemtype && strcmp(fileSystemtype, m->fileSystemtype) == 0) { 
                return m; 
            } 
        } 
 
        return NULL; 
    }

3、VFS相關的操作接口

在之前的系列文章《鴻蒙輕內核M核源碼分析系列十九 Musl LibC》中介紹了相關的接口，那些接口會調用VFS文件系統中操作接口。對每個接口的用途用法不再描述，快速記錄下各個操作接口。

3.1 掛載卸載操作

掛載卸載操作包含LOS_FsMount、LOS_FsUmount、LOS_FsUmount2等3個操作。⑴處在掛載文件系統之前，需要初始化文件系統映射信息，只會操作一次。⑵處根據文件系統類型獲取對應的文件類型映射信息。從這里，可以獲知，LiteOS-M內核只能同時支持一個文件系統，不能只支持fat又支持littlefs。⑶處對應對應的文件系統掛載接口實現掛載操作。其他兩個函數同樣比較簡單，自行閱讀代碼即可。

   int LOS_FsMount(const char *source, const char *target, 
                    const char *filesystemtype, unsigned long mountflags, 
                    const void *data) 
    { 
        static int initFlag = 0; 
 
⑴      if (initFlag == 0) { 
            InitMountInfo(); 
            initFlag = 1; 
        } 
 
⑵      g_fs = MountFindfs(filesystemtype); 
        if (g_fs == NULL) { 
            errno = ENODEV; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
 
        if (g_fs->fsMops == NULL || g_fs->fsMops->Mount == NULL) { 
            errno = ENOSYS; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
 
⑶      return g_fs->fsMops->Mount(source, target, filesystemtype, mountflags, data); 
    } 
 
    int LOS_FsUmount(const char *target) 
    { 
        if (g_fs == NULL) { 
            errno = ENODEV; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        if (g_fs->fsMops == NULL || g_fs->fsMops->Umount == NULL) { 
            errno = ENOSYS; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        return g_fs->fsMops->Umount(target); 
    } 
 
    int LOS_FsUmount2(const char *target, int flag) 
    { 
        if (g_fs == NULL) { 
            errno = ENODEV; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        if (g_fs->fsMops == NULL || g_fs->fsMops->Umount2 == NULL) { 
            errno = ENOSYS; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        return g_fs->fsMops->Umount2(target, flag); 
    }

3.2 文件目錄操作

VFS封裝的文件目錄操作接口包含LOS_Open、LOS_Close、LOS_Read、LOS_Write、LOS_Opendir、LOS_Readdir、LOS_Closedir等等。對具體的文件類型的文件目錄操作接口進行封裝，代碼比較簡單，自行閱讀即可，部分代碼片段如下：

...... 
 
int LOS_Unlink(const char *path) 
{ 
    if (g_fs == NULL) { 
        errno = ENODEV; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
    if (g_fs->fsFops == NULL || g_fs->fsFops->Unlink == NULL) { 
        errno = ENOSYS; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
    return g_fs->fsFops->Unlink(path); 
} 
 
int LOS_Fstat(int fd, struct stat *buf) 
{ 
    if (g_fs == NULL) { 
        errno = ENODEV; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
    if (g_fs->fsFops == NULL || g_fs->fsFops->Fstat == NULL) { 
        errno = ENOSYS; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
    return g_fs->fsFops->Fstat(fd, buf); 
} 
 
...... 
 
int LOS_Mkdir(const char *path, mode_t mode) 
{ 
    if (g_fs == NULL) { 
        errno = ENODEV; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
    if (g_fs->fsFops == NULL || g_fs->fsFops->Mkdir == NULL) { 
        errno = ENOSYS; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
    return g_fs->fsFops->Mkdir(path, mode); 
} 
 
DIR *LOS_Opendir(const char *dirName) 
{ 
    if (g_fs == NULL) { 
        errno = ENODEV; 
        return NULL; 
    } 
    if (g_fs->fsFops == NULL || g_fs->fsFops->Opendir == NULL) { 
        errno = ENOSYS; 
        return NULL; 
    } 
    return g_fs->fsFops->Opendir(dirName); 
} 
......

3.3 隨機數文件

文件/dev/random可以用于產生隨機數。在開啟宏LOSCFG_RANDOM_DEV時，LiteOS-M支持隨機數文件。從⑴處可知隨機數依賴文件~/openharmony/base/security/huks/interfaces/innerkits/huks_lite/hks_client.h和hks_tmp_client.c，這些文件用來產生隨機數。⑵處定義的RANDOM_DEV_FD和RANDOM_DEV_PATH分別是隨機數文件的文件描述符和隨機數文件路徑。

    #ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV 
⑴  #include "hks_client.h" 
⑵  #define RANDOM_DEV_FD  CONFIG_NFILE_DESCRIPTORS + CONFIG_NSOCKET_DESCRIPTORS 
    #define RANDOM_DEV_PATH  "/dev/random" 
    #endif

3.3.1 隨機LOS_Open和LOS_Close

該函數打開一個文件，獲取文件描述符用于進一步操作。⑴處表示對于隨機數文件，打開的標簽選項只能支持指定的這些，否則會返回錯誤碼。⑵處獲取標準路徑，如果獲取失敗，返回錯誤碼。⑶處比較獲取的標準路徑是否為RANDOM_DEV_PATH，在確認是隨機數路徑時，⑷處開始判斷。如果訪問模式為只讀，返回錯誤，如果打開選項標簽是目錄，返回錯誤。如果不是上述錯誤情形，返回隨機數文件描述符。⑸處如果獲取的標準路徑為“/”或“/dev”，則根據不同的選項，返回不同的錯誤碼。

int LOS_Open(const char *path, int oflag, ...) 
{ 
#ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV 
    unsigned flags = O_RDONLY | O_WRONLY | O_RDWR | O_APPEND | O_CREAT | O_LARGEFILE | O_TRUNC | O_EXCL | O_DIRECTORY; 
⑴  if ((unsigned)oflag & ~flags) { 
        errno = EINVAL; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
 
    size_t pathLen = strlen(path) + 1; 
    char *canonicalPath = (char *)malloc(pathLen); 
    if (!canonicalPath) { 
        errno = ENOMEM; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
⑵  if (GetCanonicalPath(NULL, path, canonicalPath, pathLen) == 0) { 
        FREE_AND_SET_NULL(canonicalPath); 
        errno = ENOMEM; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
 
⑶  if (strcmp(canonicalPath, RANDOM_DEV_PATH) == 0) { 
        FREE_AND_SET_NULL(canonicalPath); 
⑷      if ((O_ACCMODE & (unsigned)oflag) != O_RDONLY) { 
            errno = EPERM; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        if ((unsigned)oflag & O_DIRECTORY) { 
            errno = ENOTDIR; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        return RANDOM_DEV_FD; 
    } 
⑸  if (strcmp(canonicalPath, "/") == 0 || strcmp(canonicalPath, "/dev") == 0) { 
        FREE_AND_SET_NULL(canonicalPath); 
        if ((unsigned)oflag & O_DIRECTORY) { 
            errno = EPERM; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        errno = EISDIR; 
        return FS_FAILURE; 
    } 
    FREE_AND_SET_NULL(canonicalPath); 
#endif 
...... 
}

對于隨機數文件，關閉時，直接返回成功，不需要額外操作。代碼片段如下：

int LOS_Close(int fd) 
{ 
#ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV 
    if (fd == RANDOM_DEV_FD) { 
        return FS_SUCCESS; 
    } 
#endif 
...... 
}

3.3.2 隨機LOS_Read和LOS_Write

隨機數文件讀寫使用LOS_Read和LOS_Write接口。讀取時，⑴處先對傳入參數進行校驗，如果讀取字節數為0，則返回0;如果讀取的緩存地址為空，返回-1;如果讀的字節大于1024，則使用1024。⑵處調用hks_generate_random()產生隨機數。由于隨機數文件是只讀的，如果嘗試寫入會返回-1錯誤碼。

ssize_t LOS_Read(int fd, void *buf, size_t nbyte) 
{ 
#ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV 
    if (fd == RANDOM_DEV_FD) { 
⑴      if (nbyte == 0) { 
            return FS_SUCCESS; 
        } 
        if (buf == NULL) { 
            errno = EINVAL; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        if (nbyte > 1024) { /* 1024, max random_size */ 
            nbyte = 1024; /* hks_generate_random: random_size must <= 1024 */ 
        } 
        struct hks_blob key = {HKS_BLOB_TYPE_RAW, (uint8_t *)buf, nbyte}; 
⑵      if (hks_generate_random(&key) != 0) { 
            errno = EIO; 
            return FS_FAILURE; 
        } 
        return (ssize_t)nbyte; 
    } 
#endif 
...... 
} 
 
ssize_t LOS_Write(int fd, const void *buf, size_t nbyte) 
{ 
#ifdef LOSCFG_RANDOM_DEV 
    if (fd == RANDOM_DEV_FD) { 
        errno = EBADF; /* "/dev/random" is readonly */ 
        return FS_FAILURE; 
    } 
#endif 
...... 
}