Linux文件系统组件的体系结构介绍

文件系统是对一个存储设备上的数据和元数据进行组织的机制。这种机制有利于用户和操作系统的交互。

尽管内核是 Linux 的核心，但文件却是用户与操作系统交互所采用的主要工具。这对 Linux 来说尤其如此，这是因为在 UNIX 传统中，它使用文件 I/O 机制管理硬件设备和数据文件

这句话我是这样理解的，在Linux没有文件系统的话，用户和操作系统的交互也就断开了，例如我们使用最多的交互shell，包括其它的一些用户程序，都没有办法运行。在这里可以看到文件系统相对于Linux操作系统的重要性。

下面是Linux文件系统组件的体系结构：

用户空间包含一些应用程序（例如，文件系统的使用者）和 GNU C 库（glibc），它们为文件系统调用（打开、读取、写和关闭）提供用户接口。系统调用接口的作用就像是交换器，它将系统调用从用户空间发送到内核空间中的适当端点。

VFS 是底层文件系统的主要接口。这个组件导出一组接口，然后将它们抽象到各个文件系统，各个文件系统的行为可能差异很大。有两个针对文件系统对象的缓存（inode 和 dentry）。它们缓存最近使用过的文件系统对象。

每个文件系统实现（比如 ext2、JFS 等等）导出一组通用接口，供 VFS 使用。缓冲区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。例如，对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递。这就允许在其中缓存请求，减少访问物理设备的次数，加快访问速度。以最近使用（LRU）列表的形式管理缓冲区缓存。注意，可以使用 sync 命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体（迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序，进而发送到存储设备）。

当我们在Windows下，提到文件系统时，你的第一反应是想到的是什么？是不是Windows下的一些Fat32、NTFS等的文件系统的类型。而在Linux中，你可能会想到Ext2、Ext3，但你还必须要有一个根文件系统的概念。根文件系统首先是一种文件系统，该文件系统不仅具有普通文件系统的存储数据文件的功能，但是相对于普通的文件系统，它的特殊之处在于，它是内核启动时所mount的第一个文件系统，内核代码的映像文件保存在根文件系统中，系统引导启动程序会在根文件系统挂载之后从中把一些初始化脚本（如rcS，inittab）和服务加载到内存中去运行。我们要明白文件系统和内核是完全独立的两个部分。在嵌入式中移植的内核下载到开发板上，是没有办法真正的启动Linux操作系统的，会出现无法加载文件系统的错误。

那么根文件系统在系统启动中到底是什么时候挂载的呢？先将/dev/ram0挂载，而后执行/linuxrc.等其执行完后。切换根目录，再挂载具体的根文件系统。根文件系统执行完之后，也就是到了Start_kernel（）函数的最后，执行init的进程，也就第一个用户进程。对系统进行各种初始化的操作。如果要能明白这里的过程的话，可要好好的看看Linux内核源码了。

根文件系统之所以在前面加一个”根“，说明它是加载其它文件系统的”根“，既然是根的话，那么如果没有这个根，其它的文件系统也就没有办法进行加载的。它包含系统引导和使其他文件系统得以mount所必要的文件。根文件系统包括Linux启动时所必须的目录和关键性的文件，例如Linux启动时都需要有init目录下的相关文件，在 Linux挂载分区时Linux一定会找/etc/fstab这个挂载文件等，根文件系统中还包括了许多的应用程序bin目录等，任何包括这些Linux 系统启动所必须的文件都可以成为根文件系统。

Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统;若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。成功之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

在 Linux 中将一个文件系统与一个存储设备关联起来的过程称为挂装（mount）。使用 mount 命令将一个文件系统附着到当前文件系统层次结构中（根）。在执行挂装时，要提供文件系统类型、文件系统和一个挂装点。根文件系统被挂载到根目录下“/”上后，在根目录下就有根文件系统的各个目录，文件：/bin /sbin /mnt等，再将其他分区挂接到/mnt目录上，/mnt目录下就有这个分区的各个目录，文件。

1./bin目录

该目录下存放所有用户都可以使用的、基本的命令，这些命令在挂接其它文件系统之前就可以使用，所以/bin目录必须和根文件系统在同一个分区中。

/bin目录下常用的命令有：cat，chgrp，chmod，cp，ls，sh，kill，mount，umount，mkdir，mknod，［，test等“［”命令其实就是test命令，我们在利用Busybox制作根文件系统时，在生成的bin目录下，可以看到一些可执行的文件，也就是可用的一些命令。

2./sbin 目录

该目录下存放系统命令，即只有管理员能够使用的命令，系统命令还可以存放在/usr/sbin，/usr/local/sbin目录下，/sbin目录中存放的是基本的系统命令，它们用于启动系统，修复系统等，与/bin目录相似，在挂接其他文件系统之前就可以使用/sbin，所以/sbin目录必须和根文件系统在同一个分区中。

/sbin目录下常用的命令有：shutdown reboot fdisk fsck等，本地用户自己安装的系统命令放在/usr/local/sbin目录下。

3、/dev目录

该目录下存放的是设备文件，设备文件是Linux中特有的文件类型，在Linux系统下，以文件的方式访问各种设备，即通过读写某个设备文件操作某个具体硬件。比如通过“dev/ttySAC0”文件可以操作串口0，通过“/dev/mtdblock1”可以访问MTD设备的第2个分区。

4./etc目录

该目录下存放着各种配置文件，对于PC上的Linux系统，/etc目录下的文件和目录非常多，这些目录文件是可选的，它们依赖于系统中所拥有的应用程序，依赖于这些程序是否需要配置文件。在嵌入式系统中，这些内容可以大为精减。

5./lib目录

该目录下存放共享库和可加载（驱动程序），共享库用于启动系统。运行根文件系统中的可执行程序，比如：/bin /sbin 目录下的程序。

6、/home目录

用户目录，它是可选的，对于每个普通用户，在/home目录下都有一个以用户名命名的子目录，里面存放用户相关的配置文件。

7./root目录

根用户的目录，与此对应，普通用户的目录是/home下的某个子目录。

8./usr目录

/usr目录的内容可以存在另一个分区中，在系统启动后再挂接到根文件系统中的/usr目录下。里面存放的是共享、只读的程序和数据，这表明/usr目录下的内容可以在多个主机间共享，这些主要也符合FHS标准的。/usr中的文件应该是只读的，其他主机相关的，可变的文件应该保存在其他目录下，比如/var。/usr目录在嵌入式中可以精减。

9、 /var目录

与/usr目录相反，/var目录中存放可变的数据，比如spool目录（mail，news），log文件，临时文件。

10、/proc目录

这是一个空目录，常作为proc文件系统的挂接点，proc文件系统是个虚拟的文件系统，它没有实际的存储设备，里面的目录，文件都是由内核临时生成的，用来表示系统的运行状态，也可以操作其中的文件控制系统。

11、 /mnt目录

用于临时挂载某个文件系统的挂接点，通常是空目录，也可以在里面创建一引起空的子目录，比如/mnt/cdram /mnt/hda1 。用来临时挂载光盘、硬盘。

12. /tmp目录

用于存放临时文件，通常是空目录，一些需要生成临时文件的程序用到的/tmp目录下，所以/tmp目录必须存在并可以访问。

那我们利用Busybox制作根文件系统就是创建这上面的这些目录，和这些目录下面的各种文件。

对于嵌入式Linux系统的根文件系统来说，一般可能没有上面所列出的那么复杂，比如嵌入式系统通常都不是针对多用户的，所以/home这个目录在一般嵌入式Linux中可能就很少用到，而/boot这个目录则取决于你所使用的BootLoader是否能够重新获得内核映象从你的根文件系统在内核启动之前。一般说来，只有/bin，/dev，/etc，/lib，/proc，/var，/usr这些需要的，而其他都是可选的。

根文件系统一直以来都是所有类Unix操作系统的一个重要组成部分，也可以认为是嵌入式Linux系统区别于其他一些传统嵌入式操作系统的重要特征，它给 Linux带来了许多强大和灵活的功能，同时也带来了一些复杂性。我们需要清楚的了解根文件系统的基本结构，以及细心的选择所需要的系统库、内核模块和应用程序等，并配置好各种初始化脚本文件，以及选择合适的文件系统类型并把它放到实际的存储设备的合适位置，下面是几中比较常用的文件系统。

（1） jffs2

JFFS嵌入式系统文件系统最早是由瑞典 Axis Communications公司基于Linux2.0的内核为嵌入式系统开发的文件系统。JFFS2是RedHat公司基于JFFS开发的闪存文件系统，最初是针对RedHat公司的嵌入式产品eCos开发的嵌入式文件系统，所以JFFS2也可以用在Linux， uCLinux中。

Jffs2： 日志闪存嵌入式系统文件系统版本2 （Journalling Flash FileSystem v2）主要用于NOR型闪存，基于MTD驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃/掉电安全保护，提供“写平衡”支持等。缺点主要是当文件系统已满或接近满时，因为垃圾收集的关系而使jffs2的运行速度大大放慢。目前jffs3正在开发中。关于jffs系列文件系统的使用详细文档，可参考MTD补丁包中mtd-jffs-HOWTO.txt。

jffsx不适合用于NAND闪存主要是因为NAND闪存的容量一般较大，这样导致jffs为维护日志节点所占用的内存空间迅速增大，另外，jffsx文件系统在挂载时需要扫描整个FLASH的内容，以找出所有的日志节点，建立文件结构，对于大容量的NAND闪存会耗费大量时间。

（2） yaffs：Yet Another Flash File System

yaffs/yaffs2是专为嵌入式系统使用 NAND型闪存而设计的一种日志型文件系统。与jffs2相比，它减少了一些功能（例如不支持数据压缩），所以速度更快，挂载时间很短，对内存的占用较小。另外，它还是跨平台的文件系统，除了Linux和eCos，还支持WinCE， pSOS和ThreadX等。

yaffs/yaffs2自带NAND芯片的驱动，并且为嵌入式系统提供了直接访问文件系统的API，用户可以不使用Linux中的MTD与VFS，直接对文件系统操作。当然，yaffs也可与MTD驱动程序配合使用。

yaffs与 yaffs2的主要区别在于，前者仅支持小页（512 Bytes） NAND闪存，后者则可支持大页（2KB） NAND闪存。同时，yaffs2在内存空间占用、垃圾回收速度、读/写速度等方面均有大幅提升。

（3） Cramfs：Compressed ROM File System

Cramfs是Linux的创始人 Linus Torvalds参与开发的一种只读的压缩文件系统。它也基于MTD驱动程序。在cramfs文件系统中，每一页（4KB）被单独压缩，可以随机页访问，其压缩比高达2:1，为嵌入式系统节省大量的Flash存储空间，使系统可通过更低容量的FLASH存储相同的文件，从而降低系统成本。

Cramfs文件系统以压缩方式存储，在运行时解压缩，所以不支持应用程序以XIP方式运行，所有的应用程序要求被拷到RAM里去运行，但这并不代表比 Ramfs需求的RAM空间要大一点，因为Cramfs是采用分页压缩的方式存放档案，在读取档案时，不会一下子就耗用过多的内存空间，只针对目前实际读取的部分分配内存，尚没有读取的部分不分配内存空间，当我们读取的档案不在内存时，Cramfs文件系统自动计算压缩后的资料所存的位置，再即时解压缩到 RAM中。另外，它的速度快，效率高，其只读的特点有利于保护文件系统免受破坏，提高了系统的可靠性。

由于以上特性，Cramfs在嵌入式系统中应用广泛。但是它的只读属性同时又是它的一大缺陷，使得用户无法对其内容对进扩充。Cramfs映像通常是放在Flash中，但是也能放在别的文件系统里，使用 loopback 设备可以把它安装别的文件系统里。

（4） 网络文件系统NFS （Network File System）

NFS是由Sun开发并发展起来的一项在不同机器、不同操作系统之间通过网络共享文件的技术。在嵌入式Linux系统的开发调试阶段，可以利用该技术在主机上建立基于NFS 的根文件系统，挂载到嵌入式设备，可以很方便地修改根文件系统的内容。以上讨论的都是基于存储设备的文件系统（memory-based file system），它们都可用作Linux的根文件系统。实际上，Linux还支持逻辑的或伪文件系统（logical or pseudo file system），例如procfs（proc文件系统），用于获取系统信息，以及devfs（设备文件系统）和sysfs，用于维护设备文件。
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