自制文件系统：文件系统的样子
The following article is from 奇伢云存储 Author 奇伢
前情提要
来一个硬核系列，得益于 Linux 一切皆文件的哲学，把文件系统玩转的飞起。文件系统所有人都听过，都用过，但是就很少有人深究。
对于文件系统，大家的态度可能是两个极端，要么就是觉得好深奥，好牛，你竟然懂这玩意！要么就是，文件系统是什么鬼？不就是那个。。。我在 Linux 用过无数次的。这玩意还用得着讲？
这两种态度可能都不合适，文件系统作为一个深入我们生活的事物，我们不应去忽略它，也不要去抬高或者贬低。我们应该要去了解它，打破对它的恐惧，因为恐惧是对未知事物产生的一种情绪。平视它，了解清楚脉络，从而掌握它。
小孩在为什么总是学习东西很快？因为他们都是从形到意，先直观的摸到，看到，嗅到，吃到，先感受到“形”，然后我们教导他这些东西是的含义。他们很快就接受了。
我们这个自制文件系统，就是想从形意结合，让读者朋友能够跟随着笔者一起经历一次文件系统由 0 到 1 的过程，构建好知识框架，后续的深造将会得心应手。
好，话不多说，我们先从什么是文件系统讲起，简单介绍一些探索文件系统的基础知识。
探索文件系统
Linux 文件系统相比大家都使用过。大家在自己的 Linux 上机器上执行 mount 命令就能看到当前系统上挂载的所有文件系统：
mount
示例如下：
root@localhost:~# mount
sysfs on /sys type sysfs (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime,seclabel)
proc on /proc type proc (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime)
/dev/mapper/cl-root on / type xfs (rw,relatime,seclabel,attr2,inode64,noquota)
....
比如通过这一行信息我们能看出来：
sysfs on /sys type sysfs (ro,nosuid,nodev,noexec,relatime)
信息拆解分析：
sysfs：文件系统名称；/sys：文件系统目录挂载点；sysfs：文件系统类型(ro,nosuid,nodev,noexec,relatime)：挂载参数
这里蕴含的重要信息：
同一个文件系统类型可以创建多个实例，挂载在不同的挂载点，就跟面向对象里的类和实例的关系； 挂载点必须是目录；
其实，mount 这个命令很强大，不仅能 list 所有的文件系统，还能挂载文件系统。如下：
挂载文件系统命令：
# 把已经格式化好的 /dev/sdb1 盘挂到 /mnt 目录上
mount -t ext4 /dev/sdb1 /mnt/
对应卸载文件系统命令：
# 卸载 /mnt 的挂载点
umount /mnt
mount 命令能看到所有的挂载列表，但是如果你想要看到所有文件系统的使用情况，则需要另一个命令：df。df 命令用来查看当前操作系统挂载的文件系统和使用情况：
df -Tha
-T 参数能够让你看到所有的文件系统实例的类型； -h 参数能够以更符合人类的友好的形式展示数据； -a 参数展示所有的文件系统，包括 0 Blocks 的文件系统（默认是会过滤掉的）；
示例如下：
root@localhost:~# df -ahT
Filesystem Type Size Used Avail Use% Mounted on
sysfs sysfs 0 0 0 - /sys
proc proc 0 0 0 - /proc
/dev/mapper/cl-root xfs 17G 11G 7.0G 60% /
...
注意，如果 df 没有加 -a 参数，类似于上面 sysfs，proc 这种用量 0 的会被过滤掉。这也是 mount 和 df 两个命令默认显式信息的区别。
文件系统挂载可以通过 mount 命令直接挂载，但是 mount 命令挂载并没有持久化，关机重启就没了。所以想要关机重启之后，还能自动挂载到指定目录，那么就要把挂载规则写到 /etc/fstab 文件中，fstab 就是 fs table 的缩写，很容易理解。
操作系统在启动的时候，就会解析这个文件，并按照这个文件里的配置，自动挂载文件系统了。
如下：
root@localhost:~# cat /etc/fstab
/dev/mapper/cl-root / xfs defaults 0 0
UUID=600e3771-af4a-48ca-a557-02204c9a48a5 /boot ext4 defaults 1 2
/dev/mapper/cl-swap swap swap defaults 0 0
fstab 的文件格式：
<设备标识> <挂载目录> <文件系统类型> <挂载参数> <dump选项> <fsck选项>
从左到右参数拆解：
设备标识：能够标识到唯一的文件系统所在的设备，这里可以是设备路径，也可以是 LABEL，或者 UUID； 挂载目录：文件系统挂载的目录点； 文件系统类型：比如 ext4，ext2，xfs 之类的； 挂载参数：可以填 defaults，也可以精细化配置，比如只读还是可写（rw/ro），同步刷盘还是异步（async/sync），等等； dump选项：让你能控制文件系统备份的频率，0 表示不备份； fsck选项：让你控制是否开机用 fsck 自检，0 表示不要；
这个直接去看内核模块即可：
ls /lib/modules/${kernel_version}/kernel/fs/
不同的 Linux 发行版略有不同，比如，centos 一般为：
ls -l /lib/modules/4.18.0-80.el8.x86_64/kernel/fs/
ubuntu 一般为：
ls -l /lib/modules/4.4.0-142-generic/kernel/fs/
在对应的目录找到对应的 .ko 模块，比如 ext4.ko ，如果想看内核已经加载的内核模块，可以调用 lsmod 看到。
简单普及一下 .ko 模块的知识：
ko 其实是 kernel object 的缩写，这类文件存在的意义其实和用户态的 .so 库类似，都是为了模块化的编程实践。内核把核心主干框架之外的功能拆解成模块，需要的时候就加载 ko 模块，不需要的时候卸载即可。这样带来的好处就是方便开发和使用，保持内核的核心代码极度精炼。
类似于文件系统，硬件驱动等等，都是以这种形式来加载使用的。
开发文件系统为什么难？
为什么文件系统的开发大家会觉得非常难？原因其实不在于实现，而在于调试和排障，因为早期文件系统的开发只能在内核之中，这个带来了非常高的门槛。
因为在此之前我们看到了文件系统是位于内核之中， vfs 之下，块存储模块之上的一个位置。对外呈现文件存储实现，对下管理裸块设备。划重点，文件系统是位于内核的一个模块，那就可以理解了，内核模块的开发之所以艰难就是难在调试和排障，用户态的程序你可以随意 debug，出问题最多也就是 panic，coredump，内核态的程序出了文件就是宕机，所有现场都丢失，你只能通过日志，kdump 等手段来排查。并且内核态程序的编写是要注意非常多的规范的，比如内存分配，比用户态的要谨慎的多。
那怎么办？我们本次的目标是要自制实现一个极简的文件系统，但总不能带大家趟一次内核开发的坑吧！那可是要吓退 99% 的小伙伴。
有办法的，内核开发者考虑到了这个问题，又考虑到文件系统的需求是千变万化的，所以提供了一种手段，把 IO 路径导向用户态，由用户态程序捕获到 IO ，从而实现文件的存储，这个机制就叫 FUSE 机制。
作为自制 FS 系列第一篇，我们不讲 FUSE 的实现，而是通过一个动画来演示 IO 的旅途：
这里的路径做了一些简化，简化了用户态之上的逻辑处理，为什么路径是这样子？什么是 FUSE ？下篇专题解释。
总结
本篇文章是为后续铺垫一些基础知识，从形的方面，系统介绍了一些命令，告诉你文件系统怎么配置，怎么挂载，怎么查看，怎么获取到使用详情。这些基础知识在后面自制文件系统的时候，都要用上。这些 Linux 命令都是帮助我们从文件系统的外围去用，去摸，去嗅，从而再去深入理解。
我们目标不止如此，我们是要亲手做一个文件系统，动手做过一遍的东西，你对它理解也将会突飞猛进，更加深刻。
下面总结一下上面的基础以上的知识：
mount用来列举查看当前所有文件系统实例，也能支持挂载命令（但mount挂载不会持久化，重启就没了），umount用来卸载；/etc/fstab是用来配置文件系统挂载规则的，是持久化的配置，重启不丢；df -aTh用来查看每个文件系统挂载目录的详情，包括空间使用量，总量，挂载点等信息；内核模块的功能以 ko文件的形式体现，在/lib/modules/${kernel_version}/kernel/fs/目录可以看到支持的内核文件系统模块，lsmod命令可以看到已经加载的内核模块；文件系统开发之所以难？是因为之前在内核中开发，内核开发最难的在于调试和排障手段不方便。那文件系统还有出路吗？有，奇伢带你自制一个极简的文件系统，基于 Linux 系统使用纯 Go 语言来做哦，敬请期待后续，自己动手，理解更深。
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