1. 课程导论与项目全景

本课程旨在通过一个完整的工程案例，带领你从零构建一个可运行的虚拟块设备驱动，并在其上部署一个简易但功能完整的文件系统。你将深入理解 inode 分配机制 在块设备与文件系统之间的核心桥梁作用。

1.1 课程目标与学习路径

完成本课程后，你将具备以下能力：

• 理解块设备驱动框架：掌握 Linux 块设备驱动的基本结构、请求处理流程以及与内核块 I/O 层的交互。
• 掌握文件系统核心概念：深入理解 inode、dentry、superblock 等关键数据结构，以及文件创建、读写、删除的底层逻辑。
• 实现 inode 分配器：设计并实现一个基于位图的 inode 分配与回收算法，确保高效且无冲突的 inode 管理。
• 构建完整工程：将驱动与文件系统集成，实现 mkfs 格式化工具，并能在虚拟设备上执行 touch、ls、cat 等基本文件操作。

1.2 项目背景：块设备驱动与文件系统的关系

在 Linux 存储栈中，块设备驱动和文件系统是紧密协作的两个层次。文件系统负责组织和管理数据（文件名、目录结构、权限等），而块设备驱动则负责与物理或虚拟存储介质进行数据交换。

下图展示了本课程项目的整体架构层次：

1.3 最终成果预览

课程结束时，你将拥有一个可在 Linux 环境下编译、加载和测试的完整工程。以下是最终成果的关键组件和操作演示：

以下是在虚拟设备上执行基本文件操作的预期效果：

# 1. 加载虚拟块设备驱动
$ sudo insmod vdisk.ko
$ ls /dev/vdisk0
/dev/vdisk0

# 2. 格式化设备为 vfs 文件系统
$ sudo ./mkfs.vfs /dev/vdisk0
[INFO] 超级块写入完成：inode 总数 4096，数据块总数 16384
[INFO] 格式化成功。

# 3. 挂载文件系统
$ sudo mount -t vfs /dev/vdisk0 /mnt/vfs

# 4. 创建文件并写入数据
$ echo "Hello, inode allocation!" > /mnt/vfs/test.txt
$ ls -li /mnt/vfs/
总用量 1
  2 -rw-r--r-- 1 root root 25 Jan 15 10:00 test.txt

# 5. 查看 inode 分配详情（通过 debugfs 接口）
$ cat /sys/kernel/debug/vfs/inode_stats
已分配 inode: 1
空闲 inode: 4095

1.4 课程项目全景图

下面的 SVG 图展示了课程各章节之间的依赖关系和最终集成路径：

1.5 你需要具备的基础知识

为了顺利跟上本课程，建议你具备以下背景：

• C 语言编程：能够阅读和编写内核模块代码，理解指针、内存分配和链表操作。
• Linux 内核基础：了解内核模块的编译与加载流程，熟悉 printk、kmalloc、spinlock 等基本内核 API。
• 文件系统概念：知道 inode、dentry、superblock 的基本作用，了解 ext2/3 的磁盘布局。
• 开发环境：一台安装了 Linux 发行版（推荐 Ubuntu 22.04 或 CentOS 8+）的机器，具备内核头文件和编译工具链。

1.6 课程章节速览

下表列出了本课程 30 个章节的模块划分，方便你规划学习进度：