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創(chuàng)建和添加一個文件系統(tǒng)

一、問題描述

本項目的內容是要添加一個類似于ext2的自定義文件系統(tǒng)xs_ext2。我們對xs_ext2文件系統(tǒng)的描述如下：

1、xs_ext2文件系統(tǒng)的物理格式定義與ext2基本一致，除了xs_ext2的magic number是0x6666，而ext2的magic number是0xEF53。

2、xs_ext2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。

文件系統(tǒng)的定義和操作是完成了，但不要忘了，這樣的一個文件系統(tǒng)如何去創(chuàng)建呢？我們最后還要提供一個創(chuàng)建xs_ext2文件系統(tǒng)的工具：mkfs.xs_ext2。
二、 解決方法

如何實現(xiàn)上面提出來的要求呢？首先從添加一個完全和ext2相同的xs_ext2開始，然后再對xs_ext2進行雕琢，逐步達到上一小節(jié)提到的要求：先修改magic number，再修改Linux對xs_ext2文件系統(tǒng)的一些操作。最后是創(chuàng)建文件系統(tǒng)的工具mkfs.xs_ext2的完成。

1. 添加一個和ext2完全相同的文件系統(tǒng)xs_ext2

要添加一個與ext2完全相同的文件系統(tǒng)xs_ext2，首先是確定實現(xiàn)ext2文件系統(tǒng)的內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/balloc.c

fs/ext2/bitmap.c

fs/ext2/dir.c

fs/ext2/file.c

fs/ext2/fsync.c

fs/ext2/ialloc.c

fs/ext2/inode.c

fs/ext2/ioctl.c

fs/ext2/namei.c

fs/ext2/super.c

fs/ext2/symlink.c

include/linux/ext2_fs.h

include/linux/ext2_fs_i.h

include/linux/ext2_fs_sb.h

有了這些初步的信息后（當然這些信息是否正確，還需后面的檢驗），我們接下來開始添加xs_ext2文件系統(tǒng)的源代碼到Linux源代碼。

由于本節(jié)工作是要克隆ext2文件系統(tǒng)到xs_ext2文件系統(tǒng)，所以我們需要把ext2部分的源代碼克隆到xs_ext2去，即復制一份以上所列的ext2源代碼文件給xs_ext2用。按照Linux源代碼的組織結構，我們把xs_ext2文件系統(tǒng)的源代碼存放到fs/xs_ext2下，頭文件放到include/linux下。在Linux的shell下，執(zhí)行如下操作：

#cd /usr/src/linux

#cd fs

#cp –R ext2 xs_ext2

#cd ../include/linux

#cp ext2_fs.h xs_ext2_fs.h

#cp ext2_fs_i.h xs_ext2_fs_i.h??? /*2.6 nernel 沒有這個文件*/

#cp ext2_fs_sb.h xs_ext2_fs_sb.h

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容還沒有根據(jù)xs_ext2改掉，連編譯都通不過。

下面我們開始克隆文件系統(tǒng)的第二步：修改上面添加的文件的內容。為了簡單起見，我們做了一個最簡單的替換：將原來*EXT2*替換成*XS_EXT2*；將原來的*ext2*替換成*xs_ext2*。

例如，

---linux/include/linux/xs_ext2_fs.h.orig

+++linux/include/linux/xs_ext2_fs.h

……

***************

*** 65,76 ****

/* First non-reserved inode for old ext2 filesystems */

-#define EXT2_GOOD_OLD_FIRST_INO 11

+#define XS_EXT2_GOOD_OLD_FIRST_INO 11

/*

* The second extended file system magic number

*/

-#define EXT2_SUPER_MAGIC???????????????? 0xEF53

+#define XS_EXT2_SUPER_MAGIC??????? 0xEF53

/*

* Maximal count of links to a file

*/

-#define EXT2_LINK_MAX?????????????? 32000

+#define XS_EXT2_LINK_MAX????????????????? 32000

……

***************

*** 217,217 ****

-struct ext2_inode {

+struct xs_ext2_inode {

……

再如：

---linux/fs/xs_ext2/namei.c.orig

+++linux/fs/xs_ext2/namei.c

……

***************

*** 95,107 ****

-static int ext2_create (struct inode * dir, struct dentry * dentry, int mode)

+static int xs_ext2_create (struct inode * dir, struct dentry * dentry, int mode)

{

-?????? struct inode * inode = ext2_new_inode (dir, mode);

+????? struct inode * inode = xs_ext2_new_inode (dir, mode);

?????? int err = PTR_ERR(inode);

?????? if (!IS_ERR(inode)) {

-??????????? inode->i_op = &ext2_file_inode_operations;

-?????????????? inode->i_fop = &ext2_file_operations;

-????????????????????????? inode->i_mapping->a_ops = &ext2_aops;

+?????????? inode->i_op = &xs_ext2_file_inode_operations;

+?????????? inode->i_fop = &xs_ext2_file_operations;

+?????????? inode->i_mapping->a_ops = &xs_ext2_aops;

??????????? mark_inode_dirty(inode);

-?????????? err = ext2_add_nondir(dentry, inode);

+?????????? err = xs_ext2_add_nondir(dentry, inode);

??????? }

??????? return err;

}

……

其它代碼的修改類似。

修改方法：

把substitute.sh文件拷貝到/usr/src/linux/fs/xs_ext2目錄下

文件內容如下：

#!/bin/sh

SCRIPT=substitute.sh

for f in *;

do

??? if [ $f = $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"

done

#chmod 777 substitue.sh

然后到/usr/src/linux/include/linux目錄下，找到3個文件

include/linux/ext2_fs.h

include/linux/ext2_fs_i.h

include/linux/ext2_fs_sb.h

執(zhí)行

%s/ext2/xs_ext2/gc

%s/EXT2/XS_EXT2/gc

以上文件修改完畢

關于具體文件系統(tǒng)部分的代碼是修改完了，但是關于具體文件系統(tǒng)和整個操作系統(tǒng)的接口部分是不是也需要修改呢？根據(jù)前面所學的內容，想起來我們還需要修改操作系統(tǒng)中所有文件系統(tǒng)都需要的兩個數(shù)據(jù)結構：struct super_block和struct inode。Linux要支持的文件系統(tǒng)，必須在這兩個結構中的兩個union中分別有所登記。因此，我們必須將xs_ext2的信息也添加到這兩個union中：

---linux/include/linux/fs.h.orig

+++linux/include/linux/fs.h

***************

*** 481,485 ****

??????????????? struct minix_inode_info???????? minix_i;

??????????????? struct ext2_inode_info????????? ext2_i;

+????????????????????????????? struct xs_ext2_inode_info?????????????? xs_ext2_i;

??????????????? struct ext3_inode_info????????? ext3_i;

***************

*** 727,731 ****

??????????????? struct minix_sb_info????????? minix_sb;

??????????????? struct ext2_sb_info?????????? ext2_sb;

+????????????????????????????? struct xs_ext2_sb_info????????? xs_ext2_sb;

??????????????? struct ext3_sb_info?????????? ext3_sb;

好了，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。首先我們要把我們的xs_ext2加到編譯選項中去，以便在做make menuconfig的時候，可以將該選項加上去。做這項工作需要修改三個文件：

---linux/Documentation/Configure.help.orig

+++linux/Documentation/Configure.help?

……

***************

*** 14016,14023 ****

? be compiled as a module, and so this could be dangerous.? Most

? everyone wants to say Y here.

+My Second extended fs support

+CONFIG_XS_EXT2_FS

+? This is the test of adding a self-defined filesystem.

Ext3 journalling file system support (EXPERIMENTAL)

在上面這段程序中添加了關于xs_ext2的幫助，也就是在做make menuconfig的時候可以查看該選項的有關幫助的內容。

---linux/fs/Config.in.orig

+++linux/fs/Config.in?

***************

*** 79,84 ****

tristate 'Second extended fs support' CONFIG_EXT2_FS

+tristate 'My Second extended fs support' CONFIG_XS_EXT2_FS

+

tristate 'System V/Xenix/V7/Coherent file system support' CONFIG_SYSV_FS]

在上面這段程序中添加關于xs_ext2配置宏，將編譯選項和宏關聯(lián)起來。

---linux/fs/Makefile.orig

+++linux/fs/Makefile?

***************

*** 30,32 ****

subdir-$(CONFIG_EXT2_FS)?????????? += ext2

+subdir-$(CONFIG_XS_EXT2_FS)???? += xs_ext2

subdir-$(CONFIG_ZLIB_FS_INFLATE)????????? += inflate_fs

在上面這段程序中，添加了xs_ext2目錄，將宏與源代碼目錄關聯(lián)起來。

完成這些之后，我們已經成功地將我們的源代碼與編譯選項關聯(lián)。但是不要忘了，我們還有fs/xs_ext2目錄下的Makefile：

---linux/fs/xs_ext2/Makefile.orig

+++linux/fs/xs_ext2/Makefile

***************

*** 10,10 ****

-O_TARGET := ext2.o

+O_TARGET := xs_ext2.o

上面Makefile的修改是為了防止在連接的時候，xs_ext2的目標文件與ext2的目標文件沖突。

一切都準備就緒了，只等編譯連接生成內核文件：

#make menuconfig

#???? 配置xs_ext2

#make dep

#make clean

#make bzImage

編譯一切OK，只是在連接的時候出現(xiàn)了以下錯誤：

fs/fs.o: In function `xs_ext2_free_blocks':

fs/fs.o(.text+0x263a5): undefined reference to `xs_ext2_clear_bit'

fs/fs.o: In function `xs_ext2_new_block':

fs/fs.o(.text+0x26674): undefined reference to `xs_ext2_test_bit'

fs/fs.o(.text+0x26697): undefined reference to `xs_ext2_find_next_zero_bit'

fs/fs.o(.text+0x26701): undefined reference to `xs_ext2_find_next_zero_bit'

fs/fs.o(.text+0x26847): undefined reference to `xs_ext2_find_first_zero_bit'

fs/fs.o(.text+0x26899): undefined reference to `xs_ext2_test_bit'

fs/fs.o(.text+0x26932): undefined reference to `xs_ext2_set_bit'

fs/fs.o(.text+0x26a3a): undefined reference to `xs_ext2_set_bit'

fs/fs.o: In function `xs_ext2_free_inode':

fs/fs.o(.text+0x27ca2): undefined reference to `xs_ext2_clear_bit'

fs/fs.o: In function `xs_ext2_new_inode':

fs/fs.o(.text+0x27f8a): undefined reference to `xs_ext2_find_first_zero_bit'

fs/fs.o(.text+0x27fa8): undefined reference to `xs_ext2_set_bit'

make: *** [vmlinux] Error 1

只要編譯不出現(xiàn)問題，連接錯誤還是比較好辦的。從顯示出來的錯誤分析，估計是缺了這些函數(shù)的定義。根據(jù)逆向思維方法，只要在Linux源代碼中搜索ext2_clear_bit，ext2_test_bit等函數(shù)，找到它們之后，同樣復制一份，改成xs_ext2_cear_bit，xs_ext2_test_bit等函數(shù)名就可以了。我們對這些函數(shù)逐個擊破，先來搜索ext2_clear_bit。在include/asm/bitops.h中可以發(fā)現(xiàn)這些函數(shù)群。OK，無需客氣，三下五除二，全部把它們復制一份再修改掉，我們已經看到勝利的曙光就在眼前了！

---linux/include/asm/bitops.h.orig

+++linux/include/asm/bitops.h

***************

*** 369，379****

#define ext2_set_bit???????????????? __test_and_set_bit

#define ext2_clear_bit?????????????? __test_and_clear_bit

#define ext2_test_bit??????????????? test_bit

#define ext2_find_first_zero_bit?????? find_first_zero_bit

#define ext2_find_next_zero_bit?????? find_next_zero_bit

+#define xs_ext2_set_bit???????????? __test_and_set_bit

+#define xs_ext2_clear_bit?????????? __test_and_clear_bit

+#define xs_ext2_test_bit????????????? test_bit

+#define xs_ext2_find_first_zero_bit???? find_first_zero_bit

+#define xs_ext2_find_next_zero_bit???? find_next_zero_bit

添加完了以后，保存，退出?；氐絣inux目錄下，再次做make bzImage（這次不用做make clean和make dep了）。

一切OK！恭喜你，你的第一部分工作——克隆ext2文件系統(tǒng)已經完成了。再回過來想一下，linux/include/asm/bitops.h中這些宏是干什么用的。顯然，ext2需要的這些操作是和計算機的CPU指令相關的。因此，要把這些指令單獨拎出來，放到linux/include/asm下，因為asm這個目錄是一個連接，不同的計算機類型是不同的，在Intel x86的機器上一般是連接到linux/include/asm-i386下。

我們添加的xs_ext2文件系統(tǒng)是否可以正常使用呢？下面我們來對添加的xs_ext2文件系統(tǒng)進行一下測試：

#dd if=/dev/zero of=myfs bs=1M count=1

#mkfs.ext2 myfs

#mount –t xs_ext2 –o loop ./myfs /mnt

#mount

/dev/hda3 on / type ext2 (rw)

none on /proc type proc (rw)

/root/myfile on /mnt xs_ext2 (rw,loop=/dev/loop0)

#umount /mnt

#mount –t ext2 –o loop ./myfs /mnt

#mount

/dev/hda3 on / type ext2 (rw)

none on /proc type proc (rw)

/root/myfile on /mnt ext2 (rw,loop=/dev/loop0)

#

對上面的命令我們逐一解釋：

第一條dd if=/dev/zero of=myfs bs=1M count=1：

創(chuàng)建大小為1M的，名字為myfs的，內容全為0的文件。

第二條mkfs.ext2 myfs：

將myfs格式化成ext2文件系統(tǒng)。從理論上來看，xs_ext2和ext2是完全一致的，當然除了名字外，所以，下面我們可以試著用xs_ext2文件系統(tǒng)格式去mount我們剛剛做出來的ext2文件系統(tǒng)。

第三條mount –t xs_ext2 –o loop ./myfs /mnt：

將myfs通過loop設備mount到/mnt目錄下。請注意，我們用的參數(shù)是-t xs_ext2，也就是用xs_ext2文件系統(tǒng)格式去mount的，發(fā)現(xiàn)這樣mount是可以的，也就證明了新內核已經支持我們的新文件系統(tǒng)xs_ext2。

第四條mount：

用來檢查當前的系統(tǒng)的mount情況。注意最后一行，發(fā)現(xiàn)我們的xs_ext2已經被內核所認可，證明我們前面的實驗是完全成功的！

第五條 umount /mnt：

將原來的mount的文件系統(tǒng)umount下來，準備下一步測試。

第六條mount –t ext2 –o loop ./myfs /mnt：

將myfs通過loop設備mount到/mnt目錄下。這次我們用的參數(shù)是-t ext2，這樣做的目的是再來檢查一下xs_ext2和ext2是否完全一致，發(fā)現(xiàn)這樣mount是可以的。也證明了ext2和xs_ext2是一致的。

第七條mount：

檢查結果證明我們的推測是完全正確的。

錯誤處理：

1.?????? 當執(zhí)行mount –t xs_ext2 –o loop ./myfs /mnt 時候，出現(xiàn) all of your loopback devices are in use時候。解決方法如下：

以root 用戶進入/usr/src/linux/目錄下
??? # make menuconfig # 想必這一步大家只要試著編譯過內核的都會吧。
??? 將其它的選項默認，但是要留著
??? Loadable module support --->
??????? [*] Enable loadable module support
??????? [*] Set version information on all module symbols
??????? [*] Kernel module loader # 這個是必須的
??? Block devices --->
??????? < M > Loopback device support # 這個編譯為模塊，一會加載的時候要用到
??? 保存退出，剩下的就是一些常規(guī)步驟了：
??? # make dep
??? # make modules # 這個就不用解釋了吧
??? # mkdir /lib/modules/2.4.20-8/kernel/drivers/block # 沒有就建一個吧
??? # cp drivers/block/loop.o?? /lib/modules/2.4.20-8/kernel/drivers/block/loop.o
??? # insmod loop.o # 辛苦這么久就是為了這個了 ：）
??? # lsmod # 查看一下吧 ：）

2.當執(zhí)行mount –t xs_ext2 –o loop ./myfs /mnt 時候，出現(xiàn) xs_ext2 is not supported by kernel時候。解決方法如下：

需要把內核重新編譯下

#Make menuconfig

#Make dep

#Make clean

#Made bzImage

#make modules
#make modules_install

#cp /usr/src/linux/System.map /boot/System.map-2.4.18

#cp /usr/src/linux/arch/i386/boot/bzImage /boot/vmlinuz-2.4.18

#cd /boot

#rm -f System.map vmlinuz

#ln -s vmlinuz-2.4.18 vmlinuz

#ln -s System.map-2.4.18 System.map

#shutdown -r now

重新進入/root

#dd if=/dev/zero of=myfs bs=1M count=1

#mkfs.ext2 myfs

#mount –t xs_ext2 –o loop ./myfs /mnt

#mount

/dev/hda3 on / type ext2 (rw)

none on /proc type proc (rw)

/root/myfile on /mnt xs_ext2 (rw,loop=/dev/loop0)

#umount /mnt

#mount –t ext2 –o loop ./myfs /mnt

#mount

/dev/hda3 on / type ext2 (rw)

none on /proc type proc (rw)

/root/myfile on /mnt ext2 (rw,loop=/dev/loop0)

設計自己的文件系統(tǒng)之二 - [Linux內核]