浅谈Linux虚拟文件系统

1. 虚拟文件系统概述

1.1 VFS简介

虚拟文件系统（Virtual File System，简称VFS）是Linux内核的子系统之一，它为用户程序提供文件和文件系统操作的统一接口，屏蔽不同文件系统的差异和操作细节。借助VFS可以直接使用open()、read()、write()这样的系统调用操作文件，而无须考虑具体的文件系统和实际的存储介质。

举个例子，Linux用户程序可以通过read() 来读取ext3、NFS、XFS等文件系统的文件，也可以读取存储在SSD、HDD等不同存储介质的文件，无须考虑不同文件系统或者不同存储介质的差异。

通过VFS系统，Linux提供了通用的系统调用，可以跨越不同文件系统和介质之间执行，极大简化了用户访问不同文件系统的过程。另一方面，新的文件系统、新类型的存储介质，可以无须编译的情况下，动态加载到Linux中。

"一切皆文件"是Linux的基本哲学之一，不仅是普通的文件，包括目录、字符设备、块设备、套接字等，都可以以文件的方式被对待。实现这一行为的基础，正是Linux的虚拟文件系统机制。

1.2 VFS原理

VFS之所以能够衔接各种各样的文件系统，是因为它抽象了一个通用的文件系统模型，定义了通用文件系统都支持的、概念上的接口。新的文件系统只要支持并实现这些接口，并注册到Linux内核中，即可安装和使用。

举个例子，比如Linux写一个文件：

int ret = write(fd, buf, len);

调用了write()系统调用，它的过程简要如下：

首先，勾起VFS通用系统调用sys_write()处理。
接着，sys_write()根据fd找到所在的文件系统提供的写操作函数，比如op_write()。
最后，调用op_write()实际的把数据写入到文件中。

操作示意图如下：

2. 虚拟文件系统组成部分

Linux为了实现这种VFS系统，采用面向对象的设计思路，主要抽象了四种对象类型：

超级块对象：代表一个已安装的文件系统。
索引节点对象(inode)：代表具体的文件。
目录项对象：代表一个目录项，是文件路径的一个组成部分。
文件对象：代表进程打开的文件。

每个对象都包含一组操作方法，用于操作相应的文件系统。

备注：Linux将目录当做文件对象来处理，是另一种形式的文件，它里面包含了一个或多个目录项。而目录项是单独抽象的对象，主要包括文件名和索引节点号。因为目录是可以层层嵌套，以形成文件路径，而路径中的每一部分，其实就是目录项。

接下来介绍一下各个对象的作用以及相关操作。

2.1 super_block

超级块用于存储文件系统的元信息，由super_block结构体表示，定义在中，元信息里面包含文件系统的基本属性信息，比如有：

索引节点信息
挂载的标志
操作方法 s_op
安装权限
文件系统类型、大小、区块数
等等等等

其中操作方法 s_op 对每个文件系统来说，是非常重要的，它指向该超级块的操作函数表，包含一系列操作方法的实现，这些方法有：

分配inode
销毁inode
读、写inode
文件同步
等等

当VFS需要对超级块进行操作时，首先要在超级块的操作方法 s_op 中，找到对应的操作方法后再执行。比如文件系统要写自己的超级块：

superblock->s_op->write_supper(sb);

创建文件系统时，其实就是往存储介质的特定位置，写入超级块信息；而卸载文件系统时，由VFS调用释放超级块。

Linux支持众多不同的文件系统，file_system_type结构体用于描述每种文件系统的功能和行为，包括：

名称、类型等
超级块对象链表
-- 等等

当向内核注册新的文件系统时，其实是将file_system_type对象实例化，然后加入到Linux的根文件系统的目录树结构上。

2.2 inode

索引节点对象包含Linux内核在操作文件、目录时，所需要的全部信息，这些信息由inode结构体来描述，定义在中，主要包含：

超级块相关信息
目录相关信息
文件大小、访问时间、权限相关信息
引用计数
等等

一个索引节点inode代表文件系统中的一个文件，只有当文件被访问时，才在内存中创建索引节点。与超级块类似的是，索引节点对象也提供了许多操作接口，供VFS系统使用，这些接口包括：

create(): 创建新的索引节点（创建新的文件）
link(): 创建硬链接
symlink(): 创建符号链接。
mkdir(): 创建新的目录。

2.3 dentry(目录项)

前面提到VFS把目录当做文件对待，比如/usr/bin/vim，usr、bin和vim都是文件，不过vim是一个普通文件，usr和bin都是目录文件，都是由索引节点对象标识。

由于VFS会经常的执行目录相关的操作，比如切换到某个目录、路径名的查找等等，为了提高这个过程的效率，VFS引入了目录项的概念。一个路径的组成部分，不管是目录还是普通文件，都是一个目录项对象。/、usr、bin、vim都对应一个目录项对象。不过目录项对象没有对应的磁盘数据结构，是VFS在遍历路径的过程中，将它们逐个解析成目录项对象。

目录项由dentry结构体标识，定义在中，主要包含：

目录项有三种状态：

被使用：该目录项指向一个有效的索引节点，并有一个或多个使用者，不能被丢弃。
未被使用：也对应一个有效的索引节点，但VFS还未使用，被保留在缓存中。如果要回收内存的话，可以撤销未使用的目录项。
负状态：没有对应有效的索引节点，因为索引节点被删除了，或者路径不正确，但是目录项仍被保留了。

将整个文件系统的目录结构解析成目录项，是一件费力的工作，为了节省VFS操作目录项的成本，内核会将目录项缓存起来。

2.4 文件

文件对象是进程打开的文件在内存中的实例。Linux用户程序可以通过open()系统调用来打开一个文件，通过close()系统调用来关闭一个文件。由于多个进程可以同时打开和操作同一个文件，所以同一个文件，在内存中也存在多个对应的文件对象，但对应的索引节点和目录项是唯一的。

文件对象由file结构体表示，定义在中，主要包含：

文件操作方法
文件对象的引用计数
文件指针的偏移
打开文件时的读写标识

类似于目录项，文件对象也没有实际的磁盘数据，只有当进程打开文件时，才会在内存中产生一个文件对象。

每个进程都有自己打开的一组文件，由file_struct结构体标识，该结构体由进程描述符中的files字段指向。主要包括：

fdt
fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]
引用计数
fd_array数组指针指向已打开的文件对象，如果打开的文件对象个数 > NR_OPEN_DEFAULT，内核会分配一个新数组，并将 fdt 指向该数组。

除此之外，内核还为所有打开文件维持一张文件表，包括：

文件状态标志
文件偏移量
关于多进程打开同一文件以及文件共享更详细的信息，可以阅读《UNIX环境高级编程》第三章。

3. 总结

Linux支持了很多种类的文件系统，包含本地文件系统ext3、ext4到网络文件系统NFS、HDFS等，VFS系统屏蔽了不同文件系统的操作差异和实现细节，提供了统一的实现框架，也提供了标准的操作接口，这大大降低了操作文件和接入新文件系统的难度。

原文

https://zhuanlan.zhihu.com/p/69289429