每个进程在PCB(Process Control Block)中都保存着一份文件描述符表,文件描述符就是这个表的索引,每个表项都有一个指向已打开文件的指针,现在我们明确一下:已打开的文件在内核中用file
结构体表示,文件描述符表中的指针指向file
结构体。
在file
结构体中维护File Status Flag(file
结构体的成员f_flags
)和当前读写位置(file
结构体的成员f_pos
)。在上图中,进程1和进程2都打开同一文件,但是对应不同的file
结构体,因此可以有不同的File Status Flag和读写位置。file
结构体中比较重要的成员还有f_count
,表示引用计数(Reference Count),后面我们会讲到,dup
、fork
等系统调用会导致多个文件描述符指向同一个file
结构体,例如有fd1
和fd2
都引用同一个file
结构体,那么它的引用计数就是2,当close(fd1)
时并不会释放file
结构体,而只是把引用计数减到1,如果再close(fd2)
,引用计数就会减到0同时释放file
结构体,这才真的关闭了文件。
每个file
结构体都指向一个file_operations
结构体,这个结构体的成员都是函数指针,指向实现各种文件操作的内核函数。比如在用户程序中read
一个文件描述符,read
通过系统调用进入内核,然后找到这个文件描述符所指向的file
结构体,找到file
结构体所指向的file_operations
结构体,调用它的read
成员所指向的内核函数以完成用户请求。在用户程序中调用lseek
、read
、write
、ioctl
、open
等函数,最终都由内核调用file_operations
的各成员所指向的内核函数完成用户请求。file_operations
结构体中的release
成员用于完成用户程序的close
请求,之所以叫release
而不叫close
是因为它不一定真的关闭文件,而是减少引用计数,只有引用计数减到0才关闭文件。对于同一个文件系统上打开的常规文件来说,read
、write
等文件操作的步骤和方法应该是一样的,调用的函数应该是相同的,所以图中的三个打开文件的file
结构体指向同一个file_operations
结构体。如果打开一个字符设备文件,那么它的read
、write
操作肯定和常规文件不一样,不是读写磁盘的数据块而是读写硬件设备,所以file
结构体应该指向不同的file_operations
结构体,其中的各种文件操作函数由该设备的驱动程序实现。
每个file
结构体都有一个指向dentry
结构体的指针,“dentry”是directory entry(目录项)的缩写。我们传给open
、stat
等函数的参数的是一个路径,例如/home/akaedu/a
,需要根据路径找到文件的inode。为了减少读盘次数,内核缓存了目录的树状结构,称为dentry cache,其中每个节点是一个dentry
结构体,只要沿着路径各部分的dentry搜索即可,从根目录/
找到home
目录,然后找到akaedu
目录,然后找到文件a
。dentry cache只保存最近访问过的目录项,如果要找的目录项在cache中没有,就要从磁盘读到内存中。
每个dentry
结构体都有一个指针指向inode
结构体。inode
结构体保存着从磁盘inode读上来的信息。在上图的例子中,有两个dentry,分别表示/home/akaedu/a
和/home/akaedu/b
,它们都指向同一个inode,说明这两个文件互为硬链接。inode
结构体中保存着从磁盘分区的inode读上来信息,例如所有者、文件大小、文件类型和权限位等。每个inode
结构体都有一个指向inode_operations
结构体的指针,后者也是一组函数指针指向一些完成文件目录操作的内核函数。和file_operations
不同,inode_operations
所指向的不是针对某一个文件进行操作的函数,而是影响文件和目录布局的函数,例如添加删除文件和目录、跟踪符号链接等等,属于同一文件系统的各inode
结构体可以指向同一个inode_operations
结构体。
inode
结构体有一个指向super_block
结构体的指针。super_block
结构体保存着从磁盘分区的超级块读上来的信息,例如文件系统类型、块大小等。super_block
结构体的s_root
成员是一个指向dentry
的指针,表示这个文件系统的根目录被mount
到哪里,在上图的例子中这个分区被mount
到/home
目录下。
file
、dentry
、inode
、super_block
这几个结构体组成了VFS的核心概念。对于ext2文件系统来说,在磁盘存储布局上也有inode和超级块的概念,所以很容易和VFS中的概念建立对应关系。而另外一些文件系统格式来自非UNIX系统(例如Windows的FAT32、NTFS),可能没有inode或超级块这样的概念,但为了能mount
到Linux系统,也只好在驱动程序中硬凑一下,在Linux下看FAT32和NTFS分区会发现权限位是错的,所有文件都是rwxrwxrwx
,因为它们本来就没有inode和权限位的概念,这是硬凑出来的。
补充:
在这个图上没有反应file_operations与inode的关系,特去查看了源码(/usr/include/fs.h)知
/* * Note that nosuid etc flags are inode-specific: setting some file-system * flags just means all the inodes inherit those flags by default. It might be * possible to override it selectively if you really wanted to with some * ioctl() that is not currently implemented. * * Exception: MS_RDONLY is always applied to the entire file system. * * Unfortunately, it is possible to change a filesystems flags with it mounted * with files in use. This means that all of the inodes will not have their * i_flags updated. Hence, i_flags no longer inherit the superblock mount * flags, so these have to be checked separately. -- [email protected] */ #define __IS_FLG(inode,flg) ((inode)->i_sb->s_flags & (flg)) #define IS_RDONLY(inode) ((inode)->i_sb->s_flags & MS_RDONLY) #define IS_SYNC(inode) (__IS_FLG(inode, MS_SYNCHRONOUS) || \ ((inode)->i_flags & S_SYNC)) #define IS_DIRSYNC(inode) (__IS_FLG(inode, MS_SYNCHRONOUS|MS_DIRSYNC) || \ ((inode)->i_flags & (S_SYNC|S_DIRSYNC))) #define IS_MANDLOCK(inode) __IS_FLG(inode, MS_MANDLOCK) #define IS_NOATIME(inode) __IS_FLG(inode, MS_RDONLY|MS_NOATIME) #define IS_I_VERSION(inode) __IS_FLG(inode, MS_I_VERSION) #define IS_NOQUOTA(inode) ((inode)->i_flags & S_NOQUOTA) #define IS_APPEND(inode) ((inode)->i_flags & S_APPEND) #define IS_IMMUTABLE(inode) ((inode)->i_flags & S_IMMUTABLE) #define IS_POSIXACL(inode) __IS_FLG(inode, MS_POSIXACL) #define IS_DEADDIR(inode) ((inode)->i_flags & S_DEAD) #define IS_NOCMTIME(inode) ((inode)->i_flags & S_NOCMTIME) #define IS_SWAPFILE(inode) ((inode)->i_flags & S_SWAPFILE) #define IS_PRIVATE(inode) ((inode)->i_flags & S_PRIVATE) #define IS_IMA(inode) ((inode)->i_flags & S_IMA) #define IS_AUTOMOUNT(inode) ((inode)->i_flags & S_AUTOMOUNT) #define IS_NOSEC(inode) ((inode)->i_flags & S_NOSEC)
file_operations结构体中每个函数指针所指向的操作函数都是需要传进一个inode表项结构体的.