VFS

Sun VFS/vnode

Architektura

Po raz pierwszy idea vnode'ów została przedstawiona publicznie w artykule Steve'a Kleimana ,,Vnodes: An Architecture for Multiple System Types in Sun UNIX''. Zakładano realizację czterech celów:

• Implementacja systemu plików powinna być podzielona na dwie warstwy: zależna i niezależną od systemu plików. Należy zdefiniować interfejs komunikacji między tymi warstwami.
• Obsługa lokalnych systemów plikowych zarówno UNIXowych i obcych (MS-DOS), zdalnych systemów plików (NFS, RFS).
• Obsługa serwera zdalnych systemów plików.
• Operacje na systemach plików powinny być atomowe, aby unikać blokowania i danych globalnych.

Zaproponowano dwa interfejsy pomiędzy warstwą niezależną i zależną od systemu plików: vfsops z operacjami na systemie plików i vnops z operacjami na poszczególnych plikach. Ponieważ obsługiwane miały być też systemy plików nie mające nic wspólnego z UNIXem i/lub dyskami in-core inode nie mógł dalej pełnić swojej funkcji. Jego miejsce zajął vnode. Nowa struktura zawierała wszystko potrzebne warstwie niezależnej, a jednocześnie pozwalała przechowywać połączenia z charakterystycznymi dla systemu plików danymi (inode'ami, rnode'ami itp.). Pola struktury vnode to:

• v_flag - flagi: VROOT vnode jest głównym katalogiem systemu plików, VNOMAP wskazuje, że plik nie może być zamapowany w pamięci, VNOSWAP wskazuje, że plik nie może być użyty jako urządzenie wymiany, VNOMOUNT mówi, że plik nie może być montowany i VISSWAP ustawiany, gdy plik jest częścią wirtualnego użądzenia wymiany.
• v_count - liczba otwartych dowiązań do pliku.
• v_shlockc - liczba współdzielonych blokad założonych na plik.
• v_exlockc - liczba wyłącznych blokad założonych na plik.
• v_vfsmountedhere - jeżeli inny system plików jest zamontowany w katalogu związanym z vnode'm pole to wskazuje strukturę vfs tego systemu.
• v_op - wskaźnik do operacji na pliku związanym z vnode'm.
• v_vfsp - określa typ pliku reprezentowanego przez vnode.
• v_data - wskaźnik na dane charakterystyczne dla systemu plików (np.: inode.

Jeżeli system plików nie ma UNIXowego interfejsu to odpowiednie pola vnodeops są ustawiane na fs_nosys. Funkcja ta zwraca w wypadku wywołania ENOSYS.

Struktura vfs

Zamontowane systemy plików przechowane są w postaci listy struktur vfs. Podobnie jak vnode vfs jest niezależny od systemu plików. Jedynie pole vfs_data może być użyte do przechowania dowiązania do danych charakterystycznych dla systemu plików. Z każdym systemem plików związana jest struktura vfsops zawierająca operacje, które mogą być na nim wykonywane. Dowiązanie do tej struktury znajduje się w polu vfs_op z vfs. Dostępne są następujące operacje:

• vfs_mount - funkcja używana do montowania systemu plików.
• vfs_unmount - funkcja używana do demontowania systemu plików.
• vfs_root - funkcja zwraca glówny vnode systemu plików.
• vfs_statfs - zwraca informacje potrzebne funkcji systemowej statfs().
• vfs_sync - funkcja zrzuca dane pliku i dane strukturalne systemu plików na dysk. Używana jest aby zminimalizować straty w czasie załamania systemu.
• vfs_fid - funkcja używana przez NFS dla zapewnienia obsługi pliku.
• vfs_vget - funkcja używana przez NFS do konwersji funkcji zwróconej przez wywołanie vfs_fid.

Operacje na plikach

Wszystkie operacje, które można przeprowadzić na plikach zdefiniowane są w strukturze vnodeops. Są to następujące funkcje:

• vop_open - funkcja używana dla plików specjalnych urządzeń. Używana tylko kiedy vnode został zwrócony z wcześniejszego wywołania vop_lookup.
• vop_close - podobnie do vop_open.
• vop_rdwr - czytanie i zapis do pliku.
• vop_ioctl - wywołanie ioctl na pliku.
• vop_select - implementacja funkcji select().
• vop_getattr - używana do wydobywania informacji potrzebnych funkcjom takim, jak stat().
• vop_setattr - używana do ustawiania tych informacji.
• vop_access - sprawdzenie pozwolenia na odczyt z pliku, zapis do pliku i wykonanie pliku.
• vop_lookup - zastępuje funkcję namei().
• vop_create - utworzenie nowego pliku w katalogu związanym z vnode`m.
• vop_remove - usunięcie katalogu.
• vop_link - impementacja wywołania systemowego link().
• vop_rename - impementacja wywołania systemowego rename().
• vop_mkdir - impementacja wywołania systemowego mkdir().
• vop_rmdir - impementacja wywołania systemowego rmdir().
• vop_readdir - odczytuje podkatalogi z katalogu związanego z vnode'm. Funkcja wywoływana przez getdents().
• vop_symlink - impementacja wywołania systemowego symlink().
• vop_readlink - odczytuje zawartość dowiązania symbolicznego.
• vop_fsync - zrzuca zawartość pliku na dysk. Używana przez fsync().
• vop_inactive - funkcja wywoływana gdy nikt już nie korzysta z vnode'u i może być już on zwolniony.
• vop_bmap - funkcja wywołana przez wirtualną pamięć przy stronicowaniu.
• vop_strategy - przeniesienie bloków do pamięci po wywołaniu vop_bmap().
• vop_bread - funkcja odczytuje logiczny blok z vnode'u i zwraca bufor z cache'a buforów, który zawiera odczytane dane.
• vop_brelse - funkcja zwalnia bufor zwrócony przez vop_bread().

Jeżeli system plików nie obsługuje operacji to pole powinno być ustawione na fs_nosys(), która zwraca ENOSYS. Operacje wywoływane są przez makra np.:

#define VOP_INACTIVE(vp, cr) \
  (*(vp)->v_op->vop_inactive)(vp, cr)

SVR4 VFS/vnode

Architektura

SVR4 powstał w wyniku połączenia SVR3 i SunOS. Jednym z celów projektu było połączenie interfejsu VFS/vnode z opracowanym przez AT&T File System Switch. Pojawiła się więc tablica budowana dynamicznie w czasie kompilacji jądra virtual system switch table podpięta pod vfssw[] zawierająca pozycję dla każdego systemu plików, z którym jądro mogło współpracować. Elementami tablicy są struktury vfssw:

struct vfssw {
  char *vsw_name; /* nazwa systemu plików */
  int (*vsw_init)(); /* funkcja wywoływana w czasie inicjalizacji jądra */
  struct vfsops *vsw_vfops;
}

Operacje, które można wykonać na systemie plików przechowane są zarówno w vsw_vfops i w polu vfs_ops struktury vfs:

• vfs_mount - montowanie systemu plików.
• vfs_unmount - demontowanie systemu plików.
• vfs_root - zwraca główny vnode sytemu plików.
• vfs_statvfs - zwraca statystyki związane z systemem plików.
• vfs_sync - zrzucenie zmodyfikowanych danych na dysk.
• vfs_vget - funkcja wykorzystywana przez NFS, zwraca vnode obsługujący podany plik.
• vfs_mountroot - Pole wykorzystywane w systemach plików, które mogą być montowane jako główny system plików.

Vnode i operacje na plikach

Vnode'y uległy małym modyfikacjom. Usunięte zostały pola v_shlockc i v_exlockc. Dodano następujące pola:

• v_stream - jeżeli otwarty plik wskazuje na urządzenie strumieniowe, pole to wskazuje na początek (head) strumienia.
• v_filocks - dowiązanie do blokad założonych na plik.
• v_pages - dowiązanie do wszystkich stron związanych z vnode'm w cache'u.

Większych zmian dokonano w vnodeops. Usunięto operacje: vop_bmap(), vop_bread(), vop_brelse(), vop_strategy(), vop_rdwr() i vop_select(). Dodano następujące operacje:

• vop_read - odczyt z pliku.
• vop_write - zapis do pliku.
• vop_setfl - sprawdzenie przekazywanej przez system flagi.
• vop_fid - utworzenie obsługi pliku, z której NFS może później korzystać.
• vop_rwlock - blokowanie zapisu/odczytu pliku (LOCK_SHARED, LOCK_EXCL).
• vop_rwunlock - odblokowanie zapisu/odczytu pliku.
• vop_seek - sprawdzenie czy w systemie plików dozwolone jest wywołanie lseek() z podanymi argumentami (niektóre systemy plików nie umożliwiają zapisu za końcem pliku).
• vop_cmp - funkcja porównująca vnode'y
• vop_frlock - funkcja implementująca blokowanie plików i rekordów.
• vop_space - funkcja używana w systemach plików umożliwiających zwolnienie przestrzeni w trackie pracy nad plikiem.
• vop_realvp - wydobywanie vnode'a w systemach plików ukrywających je.
• vop_getpage - przeczytanie danych w pliku w przypadku błędu braku strony.
• vop_putpage - zrzucenie zmodyfikowanych danych na dysk.
• vop_map - funkcja używana do implementacji mapownia pamięci.
• vop_addmap - dodanie mapowania.
• vop_delmap - usunięcie mapowania.
• vop_poll - implementacja funkcji systemowej poll().
• vop_pathconf - implementacja wywołań systemowych pathconf() i fpatchconf().

Podobnie jak poprzednio operacje są dostępne poprzez makra.

BSD

Architektura

Ważną zmianą była modyfikacja operacji namei(), która w BSD korzysta z następującej struktury danych (nie korzysta z danych ustawionych przez wcześniejsze wywołanie w jądrze namei()):

struct nameidata {
  caddr_t ni_dirp          /* dowiązanie do ścieżki */
  enum uio_seg ni_seg;     /* lokalizacja ścieżki */
  short ni_nameiop;        /* operacja do wykonania */
  struct vnode *ni_cdir;   /* aktualny katalog roboczy */
  struct vnode *ni_rdir;   /* główny katalog */
  struct ucred *ni_cred;   /* dane związane z wywołującym */
  caddr_t ni_pnbuf;        /* bufor nazwy ścieżki */
  char *ni_ptr;            /* aktualna pozycja w nazwie ścieżki */
  int ni_pathlen;          /* ilość znaków pozostała w nazwie ścieżki */
  short ni_more;           /* flaga informująca czy pozostało coś do przekształcenia */
  short ni_loopcnt;        /* liczba odnalezionych symbolicznych dowiązań */
  struct vnode *nivp       /* zwracany vnode */
  struct vnode *nidvp      /* vnode nadkatalogu */
}

Operacje, które można wykonać (ni_nameiop) to:

• LOOKUP - wyszukanie;
• CREATE - przygotowanie do stworzenia pliku;
• DELETE - przygotowanie do usunięcia pliku;
• WANTPARENT - zwrócenie vnode'a nadkatalogu;
• NOCACHE - usunięcie nazwy z cache'a;
• FOLLOW - podążanie za dowiązaniami symbolicznymi;
• NOFOLLOW - niepożądanie za dowiązaniami symbolicznymi;

VFS i vnode

Większość struktur pozostała taka sama jak w Sun VFS (dokonano bardzo małych modyfikacji). Struktura vfs zyskała pole vfs_bsize (optymalny rozmiar bloku), do statfs dodano f_bsize, natomiast vnode powiększył się o v_text używany przez pliki wykonywalne.

Przybyło kilka operacji na plikach:

• vn_mknod - obsługa funkcji systemowej mknod(S);
• vn_read - obsługa wywołania systemowego read(S);
• vn_write - obsługa wywołania systemowego write(S);
• vn_seek - obsługa wywołania systemowego lseek(S);
• vn_abortop - funkcja wywoływana gdy poprzednio wywołano namei() z CREATE lub DELETE, ale zrezygnowano z przeprowadzenia operacji;
• vn_lock - blokowanie operacji na pliku;
• vn_unlock - odblokowanie operacji na pliku;

HP-UX

VFS i vnode

Budowa VFS i vnode'ów w HP-UX jest bardzo podobna do SVR4. Struktura vfs zachowuje większość składowych z SVR4 z kilkoma małymi dodatkami. Operacje VFS też nie różnią się zbytnio od SVR4 (podobnie jest kilka dodatkowych funkcji). Strukturę vnode odróżniają od tej z SVR4 dwie listy: z niezmienionymi buforami v_cleanblkhd i z buforami zwierającymi modyfikacje v_dirtyblkhd. Konstrukcja ta jest podobna do v_pages, ale zapewnia proste rozróżnienie, które bufory były modyfikowane.