實驗5添加一個文件系統(tǒng)

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1、實驗5 添加一個文件系統(tǒng) 實驗目的 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中最直觀的部分，因為用戶可以通過文件直接地和操作系統(tǒng)交互，操作系統(tǒng)也必須為用戶提供數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)存儲的功能。本實驗通過添加一個文件系統(tǒng)，進一步理解Linux中的文件系統(tǒng)原理及其實現(xiàn)。 l深入理解操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)原理 l學習理解Linux的VFS文件系統(tǒng)管理技術 l學習理解Linux的ext2文件系統(tǒng)實現(xiàn)技術 l設計和實現(xiàn)自定義文件系統(tǒng) 實驗內(nèi)容 添加一個類似于ext2的自定義文件系統(tǒng)myext2。實驗主要內(nèi)容： l添加一個和ext2完全相同的文件系統(tǒng)myext2 l修改myext2的magic number l

2、修改文件系統(tǒng)操作 l添加文件系統(tǒng)創(chuàng)建工具 實驗指導 1. 問題描述 本實驗的內(nèi)容是要添加一個類似于ext2的自定義文件系統(tǒng)myext2。myext2文件系統(tǒng)的描述如下： 1、myext2文件系統(tǒng)的物理格式定義與ext2基本一致，除了myext2的magic number是0x6666，而ext2的magic number是0xEF53。 2、myext2是ext2的定制版本，它只支持原來ext2文件系統(tǒng)的部分操作，以及修改了部分操作。 2. 實驗步驟 提示：下面的操作步驟以3.6.6版本的內(nèi)核為例，2.6.15版本的內(nèi)核請參照教材，其它版本內(nèi)核可能會有所區(qū)別。 2.1 添

3、加一個和ext2完全相同的文件系統(tǒng)myext2 要添加一個與ext2完全相同的文件系統(tǒng)myext2，首先是確定實現(xiàn)ext2文件系統(tǒng)的內(nèi)核源碼是由哪些文件組成。Linux源代碼結構很清楚地告訴我們：fs/ext2目錄下的所有文件是屬于ext2文件系統(tǒng)的。再檢查一下這些文件所包含的頭文件，可以初步總結出來Linux源代碼中屬于ext2文件系統(tǒng)的有： fs/ext2/acl.c fs/ext2/acl.h fs/ext2/balloc.c fs/ext2/bitmap.c fs/ext2/dir.c fs/ext2/ext2.h fs/ext2/file.c …… include

4、/linux/ext2_fs.h include/linux/ext2_fs_sb.h 接下來開始添加myext2文件系統(tǒng)的源代碼到Linux源代碼。把ext2部分的源代碼克隆到myext2去，即復制一份以上所列的ext2源代碼文件給myext2用。按照Linux源代碼的組織結構，把myext2文件系統(tǒng)的源代碼存放到fs/myext2下，頭文件放到include/linux下。在Linux的shell下，執(zhí)行如下操作： #cd ~/linux-3.6.6 /* 內(nèi)核源代碼目錄，假設內(nèi)核源代碼解壓在主目錄的Linux-3.6.6只目錄中*/ #cd fs #cp –R ext2 m

5、yext2 #cd ../include/linux #cp ext2_fs.h myext2_fs.h #cp ext2_fs_sb.h myext2_fs_sb.h //3.6.6沒有此文件 #cd ~/linux-3.6.6/fs/myext2 #mv ext2.h myext2.h #cd ~/linux-3.6.6 # cd include/asm-generic/bitops # cp ext2-atomic.h myext2-atomic.h # cp ext2-atomic-setbit.h myext2-atomic-setbit.h //3.6.6修

6、改此文件 這樣就完成了克隆文件系統(tǒng)工作的第一步——源代碼復制。對于克隆文件系統(tǒng)來說，這樣當然還遠遠不夠，因為文件里面的數(shù)據(jù)結構名、函數(shù)名、以及相關的一些宏等內(nèi)容還沒有根據(jù)myext2改掉，連編譯都通不過。 下面開始克隆文件系統(tǒng)的第二步：修改上面添加的文件的內(nèi)容。為了簡單起見，做了一個最簡單的替換：將原來“EXT2”替換成“MYEXT2”；將原來的“ext2”替換成“myext2”。 對于fs/myext2下面文件中字符串的替換，也可以使用下面的腳本： #!/bin/bash SCRIPT=substitute.sh for f in * do if [ $f

7、 = $SCRIPT ] then echo "skip $f" continue fi echo -n "substitute ext2 to myext2 in $f..." cat $f | sed s/ext2/myext2/g > ${f}_tmp mv ${f}_tmp $f echo "done" echo -n "substitute EXT2 to MYEXT2 in $f..." cat $f | sed s/EXT2/MYEXT2/g > ${f}_tmp mv ${f}_tmp $f echo "done" d

8、one 把這個腳本命名為substitute.sh，放在fs/myext2下面，加上可執(zhí)行權限，運行之后就可以把當前目錄里所有文件里面的“ext2”和“EXT2”都替換成對應的“myext2”和“MYEXT2”。 用編輯器的替換功能，把include/linux/myext2_fs.h , include/linux/myext2_fs_sb.h（3.6.6沒有此文件）和include/asm-generic/bitops/myext2-atomic.h，myext2-atomic-setbit.h（3.6.6為此文件） 文件中的“ext2”、“EXT2”分別替換成“myext2”

9、、“MYEXT2” 在include/asm-generic/bitops.h文件中添加： kernel 3.6.6: 其他內(nèi)核版本可能需要做： 在arch/x86/include/asm/bitops.h文件中添加： kernel 3.6.6: 其他內(nèi)核版本可能需要做： 在include/linux/magic.h 文件中添加”#define MYEXT2_SUPER_MAGIC 0xEF53” 源代碼的修改工作到此結束。接下來就是第三步工作——編譯源代碼。首先要把myext2加到編譯選項中去，以便在做make menuconfig的時

10、候，可以將該選項加上去。做這項工作只需要修改三個文件： fs/Kconfig fs/Makefile fs/Kconfig中拷貝一份對應的對EXT2文件宏的定義和幫助信息，這樣在做make menuconfig的時候可以查看該選項的有關幫助的內(nèi)容。fs/Makefile的修改是告內(nèi)核編譯系統(tǒng)，當myext2對應的宏被選擇上的時候，到fs/myext2目錄下去編譯myext2文件系統(tǒng)。 在kernel 3.6.6，在fs/Kconfig文件中增加 source “fs/myext2/Kconfig”，并且對“ext2”相關項的地方添加“myext2”項。 在 fs/Ma

11、kefile 文件中添加“obj-$(CONFIG_MYEXT2_FS) += myext2/” 為了在make mencuconfig中看得更加清楚，修改 fs/myext2/Kconfig文件中“Ext2”替換為“MYExt2” ，“Second”前加上“MY” 一切都準備就緒了，使用make menuconfig選擇上myext2，如下： # cd ~/linux-3.6.6 # make menuconfig 選中ext2和myext2文件系統(tǒng)對應的選項，即原來空白用空格鍵選中為*號： 保存修改，退出。然后做make等重建內(nèi)核的工作。

12、 第一部分工作——克隆ext2文件系統(tǒng)已經(jīng)完成了。 新編譯出來的內(nèi)核重新啟動系統(tǒng)。 下面我們來對添加的myext2文件系統(tǒng)進行一下測試： #pwd /root #dd if=/dev/zero of=myfs bs=1M count=1 #/sbin/mkfs.ext2 myfs #cat /proc/filesystems | grep ext ext2 ext3 myext2 ext4 #sudo mount –t myext2 –o loop ./myfs /mnt #mount …… /dev/loop0 on /mnt ty

13、pe myext2 (rw) #sudo umount /mnt #sudo mount –t ext2 –o loop ./myfs /mnt #mount …… /dev/loop0 on /mnt type ext2 (rw) #sudo umount /mnt 2.2 修改myext2的magic number 在上面做的基礎上。找到myext2的magic number，并將其改為0x6666： 2.6.20以后內(nèi)核版本，這個值在include/linux/magic.h文件中。2.6.15內(nèi)核參照教材。 - #define MYEXT2_SUPER_MA

14、GIC 0xEF53 + #define MYEXT2_SUPER_MAGIC 0x6666 改動完成之后，再用make重新編譯內(nèi)核。以新內(nèi)核重新啟動，準備下面的測試。 在我們測試這個部分之前，我們需要寫個小程序changeMN.c，來修改我們創(chuàng)建的myfs文件系統(tǒng)的magic number。因為它必須和內(nèi)核中記錄myext2文件系統(tǒng)的magic number匹配，myfs文件系統(tǒng)才能被正確地mount。 changeMN.c程序可以在課程網(wǎng)站中下載。這個程序經(jīng)過編譯后產(chǎn)生的可執(zhí)行程序名字為changeMN。 下面我們開始測試： #dd if=/dev/zero of=my

15、fs bs=1M count=1 #/sbin/mkfs.ext2 myfs #./changeMN myfs #sudo mount –t myext2 –o loop ./fs.new /mnt #mount /home/user/fs.new on /mnt type myext2 (rw) #sudo umount /mnt # sudo mount –t ext2 –o loop ./fs.new /mnt mount: wrong fs type, bad option, bad superblock on /dev/loop0, … # 2.3 修改文

16、件系統(tǒng)操作 myext2只是一個實驗性質的文件系統(tǒng)，我們希望它只要能支持簡單的文件操作即可。因此在完成了myext2的總體框架以后，我們來修改掉myext2支持的一些操作，來加深對操作系統(tǒng)對文件系統(tǒng)的操作的理解。下面以裁減myext2的mknod操作為例，了解這個過程的實現(xiàn)流程。 Linux將所有的對塊設備、字符設備和命名管道的操作，都看成對文件的操作。mknod操作是用來產(chǎn)生那些塊設備、字符設備和命名管道所對應的節(jié)點文件。在ext2文件系統(tǒng)中它的實現(xiàn)函數(shù)如下： fs/ext2/namei.c, line 144 144 static int ext2_mknod (struct

17、inode * dir, struct dentry *dentry, int mode, dev_t rdev) 145 { 146 struct inode * inode; 147 int err; 148 149 if (!new_valid_dev(rdev)) 150 return -EINVAL; 151 152 inode = ext2_new_inode (dir, mode); 153 err = PTR_ERR(inode); 154 if (!IS_ERR(inode)) { 155 init_special_inode(inode, inod

18、e->i_mode, rdev); 156 #ifdef CONFIG_EXT2_FS_XATTR 157 inode->i_op = &ext2_special_inode_operations; 158 #endif 159 mark_inode_dirty(inode); 160 err = ext2_add_nondir(dentry, inode); 161 } 162 return err; 163 } 它定義在結構ext2_dir_inode_operations中： fs/ext2/namei.c, line 400 392 struct inod

19、e_operations ext2_dir_inode_operations = { 393 .create = ext2_create, 394 .lookup = ext2_lookup, 395 .link = ext2_link, 396 .unlink = ext2_unlink, 397 .symlink = ext2_symlink, 398 .mkdir = ext2_mkdir, 399 .rmdir = ext2_rmdir, 400 .mknod = ext2_mknod, 401 .rename = ext2_rename, 402 #ifdef C

20、ONFIG_EXT2_FS_XATTR 403 .setxattr = generic_setxattr, 404 .getxattr = generic_getxattr, 405 .listxattr = ext2_listxattr, 406 .removexattr = generic_removexattr, 407 #endif 408 .setattr = ext2_setattr, 409 .permission = ext2_permission, 410 }; 當然，從ext2克隆過去的myext2的myext2_mknod，以及myext2_dir_

21、inode_operations和上面的程序是一樣的。 對于mknod函數(shù)，我們在myext2中作如下修改： fs/myext2/namei.c static int myext2_mknod (struct inode * dir, struct dentry *dentry, int mode, int rdev) { printk(KERN_ERR “haha, mknod is not supported by myext2! you’ve been cheated!\n”); return –EPERM; } 添加的程序中： 第一行 打印信息，說明mknod

22、操作不被支持。 第二行 將錯誤號為EPERM的結果返回給shell，即告訴shell，在myext2文件系統(tǒng)中，maknod不被支持。 修改完畢，然后重新編譯內(nèi)核。以新生成的內(nèi)核重新啟動計算機，我們在shell下執(zhí)行如下測試程序： # sudo mount –t myext2 –o loop ./fs.new /mnt #cd /mnt # sudo mknod myfifo p mknod: `myfifo: Operation not permitted # 第一行命令：將fs.new mount到/mnt目錄下。 第二行命令：進入/mnt目錄，也就是進入fs

23、.new這個myext2文件系統(tǒng)。 第三行命令：執(zhí)行創(chuàng)建一個名為myfifo的命名管道的命令。 第四、五行是執(zhí)行結果：第四行是我們添加的myext2_mknod函數(shù)的printk的結果；第五行是返回錯誤號EPERM結果給shell，shell捕捉到這個錯誤后打出的出錯信息。需要注意的是，如果你是在圖形界面下使用虛擬控制臺，printk打印出來的信息不一定能在你的終端上顯示出來，但是可以通過命令dmesg|tail來觀察。 可見，我們的裁減工作取得了預期的效果。 2.4. 添加文件系統(tǒng)創(chuàng)建工具 文件系統(tǒng)的創(chuàng)建對于一個文件系統(tǒng)來說是首要的。因為，如果不存在一個文件系統(tǒng)，所有對它的操作

24、都是空操作，也是無用的操作。 其實，前面的第一小節(jié)《添加一個和ext2完全相同的文件系統(tǒng)myext2》和第二小節(jié)《修改myext2的magic number》在測試實驗結果的時候，已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)地講到了如何創(chuàng)建myext2文件系統(tǒng)。下面工作的主要目的就是將這些內(nèi)容總結一下，制作出一個更快捷方便的myext2文件系統(tǒng)的創(chuàng)建工具：mkfs.myext2（名稱上與mkfs.ext2保持一致）。 首先需要確定的是該程序的輸入和輸出。為了靈活和方便起見，我們的輸入為一個文件，這個文件的大小，就是myext2文件系統(tǒng)的大小。輸出就是帶了myext2文件系統(tǒng)的文件。 我們在主目錄下編輯如下的程序： ~

25、/mkfs.myext2 #!/bin/bash /sbin/losetup -d /dev/loop2 /sbin/losetup /dev/loop2 $1 /sbin/mkfs.ext2 /dev/loop2 dd if=/dev/loop2 of=./tmpfs bs=1k count=2 ./changeMN ./tmpfs dd if=./fs.new of=/dev/loop2 /sbin/losetup -d /dev/loop2 rm -f ./tmpfs 第一行 表明是shell程序。 第三行 如果有程序用了/dev/loo

26、p2了，就將它釋放。 第四行 用losetup將第一個參數(shù)裝到/dev/loop2上 第五行 用mkfs.ext2格式化/dev/loop2。也就是用ext2文件系統(tǒng)格式格式化我們的文件系統(tǒng)。 第六行 將文件系統(tǒng)的頭2K字節(jié)的內(nèi)容取出來。 第七行 調用程序changeMN將magic number改成0x6666 第八行 再將2K字節(jié)的內(nèi)容寫回去。 第九行 把我們的文件系統(tǒng)從loop2中卸下來。 第十行 將臨時文件刪除。 編輯完了之后，做如下測試： # dd if=/dev/zero of=myfs bs=1M count=1 # ./mkfs.myext2 myf

27、s (或 sudo bash mkfs.myext2 myfs ) # sudo mount –t myext2 –o loop ./fs.new /mnt # mount /dev/loop0 on /mnt myext2 (rw) # 至此，文件系統(tǒng)部分的實驗已經(jīng)全部完成了。通過本實驗，你對Linux整個文件系統(tǒng)的運作流程，如何添加一個文件系統(tǒng)，以及如何修改Linux對文件系統(tǒng)的操作，有了比較深的了解。在本實驗的基礎上，你完全可以發(fā)揮自己的創(chuàng)造性，構造出自己的文件系統(tǒng)，然后將它添加到Linux中。 撰寫實驗報告的要求 1.按照實驗報告模板格式撰寫； 2.整個實驗過程的截圖； 3.程序的修改部分，運行結果的截圖； 4.實驗過程中遇到的問題及解決方法等。 5.心得體會