linux文件系统基础--VFS统一文件模型中的4大核心数据结构

概念

VFS（Virtual Filesystem Switch）称为虚拟文件系统或虚拟文件系统转换，是一个内核软件层，在具体的文件系统之上抽象的一层，用来处理与Posix文件系统相关的所有调用，表现为能够给各种文件系统提供一个通用的接口，使上层的应用程序能够使用通用的接口访问不同文件系统，同时也为不同文件系统的通信提供了媒介。
架构
VFS在整个Linux系统中的架构视图如下：

Linux系统的User使用GLIBC（POSIX标准、GUN C运行时库）作为应用程序的运行时库，然后通过操作系统，将其转换为系统调用SCI（system-call interface），SCI是操作系统内核定义的系统调用接口，这层抽象允许用户程序的I/O操作转换为内核的接口调用。VFS提供了一个抽象层，将POSIX API接口与不同存储设备的具体接口实现进行了分离，使得底层的文件系统类型、设备类型对上层应用程序透明。

接口适配示例

        用户写入一个文件，使用POSIX标准的write接口，会被操作系统接管，转调sys_write这个系统调用（属于SCI层）。然后VFS层接受到这个调用，通过自身抽象的模型，转换为对给定文件系统、给定设备的操作，这一关键性的步骤是VFS的核心，需要有统一的模型，使得对任意支持的文件系统都能实现系统的功能。这就是VFS提供的统一的文件模型（common file model），底层具体的文件系统负责具体实现这种文件模型，负责完成POSIX API的功能，并最终实现对物理存储设备的操作。

VFS这一层建模和抽象是有必要的，如果放在SCI层会导致操作系统的系统调用的功能过于复杂，易出bug。那么就只能让底层文件系统都遵循统一实现，这对于已经出现的各种存储设备来说天然就有不同的特性，也是无法实现的。因此VFS这样一层抽象是有其必要性的。

跨设备/文件系统示例

VFS为不同设备或文件系统间的访问提供了媒介，下面的示意图和代码中，用户通过cp命令进行文件的拷贝，对用户来说是不用关心底层是否跨越文件系统和设备的，具体都通过VFS抽象层实现对不同文件系统的读写操作。

VFS的抽象接口

上述示例中提到VFS也有自己的文件模型，用来支持操作系统的系统调用。下面是VFS抽象模型支持的所有Linux系统调用：

• 文件系统相关：mount, umount, umount2, sysfs,  statfs,  fstatfs,  fstatfs64, ustat
• 目录相关：chroot，pivot_root，chdir，fchdir，getcwd，mkdir，rmdir，getdents，getdents64，readdir，link，unlink，rename，lookup_dcookie
• 链接相关：readlink，symlink
• 文件相关：chown， fchown，lchown，chown16，fchown16，lchown16，hmod，fchmod，utime，stat，fstat，lstat，acess，oldstat，oldfstat，oldlstat，stat64，lstat64，lstat64，open，close，creat，umask，dup，dup2，fcntl， fcntl64，select，poll，truncate，ftruncate，truncate64，ftruncate64，lseek，llseek，read，write，readv，writev，sendfile，sendfile64，readahead

Linux系统VFS支持的文件系统

• Disk-based 文件系统：Ext2, ext3, ReiserFS，Sysv, UFS, MINIX, VxFS，VFAT, NTFS，ISO9660 CD-ROM, UDF DVD，HPFS, HFS, AFFS, ADFS,
• Network 文件系统：NFS, Coda, AFS, CIFS, NCP
• 特殊文件系统：/proc，/tmpfs等

统一文件模型（common file model）

VFS为了提供对不同底层文件系统的统一接口，需要有一个高度的抽象和建模，这就是VFS的核心设计——统一文件模型。目前的Linux系统的VFS都是源于Unix家族，因此这里所说的VFS对所有Unix家族的系统都适用。Unix家族的VFS的文件模型定义了四种对象，这四种对象构建起了统一文件模型。

• superblock：存储文件系统基本的元数据。如文件系统类型、大小、状态，以及其他元数据相关的信息（元元数据）
• index node（inode）：保存一个文件相关的元数据。包括文件的所有者（用户、组）、访问时间、文件类型等，但不包括这个文件的名称。文件和目录均有具体的inode对应
• directory entry（dentry）：保存了文件（目录）名称和具体的inode的对应关系，用来粘合二者，同时可以实现目录与其包含的文件之间的映射关系。另外也作为缓存的对象，缓存最近最常访问的文件或目录，提示系统性能
• file：一组逻辑上相关联的数据，被一个进程打开并关联使用

统一文件模型是一个标准，各种具体文件系统的实现必须以此模型定义的各种概念来实现。

Superblock

静态(磁盘上）：superblock保存了一个文件系统的最基础的元信息，一般都保存在底层存储设备的开头；动态（内存中，一般是xxx_super_block_info）：挂载之后会读取文件系统的superblock并常驻内存，部分字段是动态创建时设置的。superblock的具体定义见linux/include/fs/fs.h，下图展示了内存中维护的superblock：

由于Linux系统支持同时挂载多个文件系统，因此s_list字段用于在内存中构建superblock链表来支持挂载多个文件系统。s_root字段标识该文件系统的根目录，s_bdev标识该文件系统所在的设备信息。其中最重要的字段是s_op，这个指针指向该文件系统所支持的各种操作的结构体，称为“super_operations”，具体定义如下：

struct super_operations {
    struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
    void (*destroy_inode)(struct inode *);
    void (*dirty_inode) (struct inode *);
    int (*write_inode) (struct inode *, int);
    void (*drop_inode) (struct inode *);
    void (*delete_inode) (struct inode *);
    void (*put_super) (struct super_block *);
    void (*write_super) (struct super_block *);
    int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);
    int (*freeze_fs) (struct super_block *);
    int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);
    int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);
    int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
    void (*clear_inode) (struct inode *);
    void (*umount_begin) (struct super_block *);
    int (*show_options)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
    int (*show_stats)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
    ssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);
    ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);
    int (*bdev_try_to_free_page)(struct super_block*, struct page*, gfp_t);
};

这个结构体的每个成员都一个函数指针，用来代表这个操作具体应该执行的底层操作。例如需要写入数据时，VFS会通过superblock中的s_op字段最终去调用write_super来执行文件系统的具体操作：sb->s_op->write_super(sb)。所有这些调用都由VFS完成，向上对接了操作系统的sys_write系统调用，向下转交到具体文件系统的底层操作。

每一个文件系统使用前必须进行挂载（mount），superblock包含的s_type字段定义了这个文件系统的类型。通过系统调用register_filesystem()、unregister_filesystem()可以实现对具体文件系统的挂载和卸载，它们都只有一个参数，就是文件系统类型“ file_system_type”。本质上就是告诉操作系统挂载的文件系统信息。对于2.6.18之后的内核版本，该结构体定义如下：

struct file_system_type {
    const char *name; //文件系统类型名称
    int fs_flags;
    struct super_block *(*get_sb)(struct file_system_type *,
    int, char *, void *, struct vfsmount *); //挂载文件系统时由kernel调用，用于创建内存中的superblock
    void (*kill_sb) (struct super_block *); //卸载文件系统是由kernel调用，用于移除内存中的    superblock
    struct module *owner;
    struct file_system_type *next;
    struct list_head fs_supers;
    struct lock_class_key s_lock_key;
    struct lock_class_key s_umount_key;
};

另外，get_sb的最后一个参数是vfsmount类型，这是系统用来记录挂载信息的数据结构。它保存了挂载点、设备、挂载选项等信息。对于每个一个打开的进程来说，都会在其内核部分维护两个数据结构：fs_struct和file；分别用来描述关联的文件系统信息和打开的文件信息。

Index node

静态：创建文件系统时生成inode，保存在具体存储设备上，记录了文件系统的元信息；动态：VFS在内存中使用inode数据结构，来管理文件系统的文件对象，记录了文件对象的详细信息，部分字段与关联的文件对象有关，会动态创建。具体信息如下：

i_dentry字段指定当前inode标识的文件对象的名称，也就是dentry，是一个链表的，因为可能由多个dentry都指向这个inode（硬链接）。然后除了文件的一些权限信息、访问时间、大小等信息之外，最重要的就是记录了inode和file对象所提供的操作，分别是i_fop和i_op。其中inode支持的操作示例如下：

struct inode_operations {
    int (*create) (struct inode *, struct dentry *, int);
    struct dentry * (*lookup) (struct inode *, struct dentry *);
    int (*link) (struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
    int (*unlink) (struct inode *, struct dentry *);
    int (*symlink) (struct inode *, struct dentry *, const char *);
    int (*mkdir) (struct inode *, struct dentry *, int);
    int (*rmdir) (struct inode *, struct dentry *);
    int (*mknod) (struct inode *, struct dentry *, int, dev_t);
    int (*rename) (struct inode *, struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
    int (*readlink) (struct dentry *, char *,int);
    int (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
    void (*truncate) (struct inode *);
    int (*permission) (struct inode *, int);
    int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
    int (*getattr) (struct vfsmount *mnt, struct dentry *, struct kstat *);
    int (*setxattr) (struct dentry *, const char *, const void *, size_t, int);
    ssize_t (*getxattr) (struct dentry *, const char *, void *, size_t);
    ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
    int (*removexattr) (struct dentry *, const char *);
};

inode在内存中创建后会有inode cache进行缓存，并执行延迟的write back策略保存到底层存储设备。

Directory entry

dentry是用来记录具体的文件名与对应的inode间的对应关系的，同时可以用来实现硬链接、缓存、多级目录等树状文件系统的特性。VFS的dentry设计上就是为了实现整个文件系统树状层次结构的，每个文件系统拥有一个没有父dentry的根目录（root dentry），这个dentry会被superblock引用，用来作为进行树形结构的查找入口。其余的所有dentry都是有唯一的父dentry，并可以由若干个孩子dentry。示例：对于一个文件"/home/user/a”，会存在“/”、“home”、“user”、“a”四个dentry，依次构成父子关系，每个dentry也都有一个inode与之关联，存储了具体的数据。

dentry没有在磁盘等底层持久化存储设备上存储，是一个动态创建的内存数据结构，主要是为了构建出树状组织结构而设计，用来进行文件、目录的查找。dentry创建之后会被操作系统进行缓存，目的是为了提升对文件系统进行操作的性能。dentry的结构如下示意，具体定义于“<linux/dcache.h>”。

其中最重要的有两个字段，一个是d_inode指针指向了当前dentry关联的inode。另一个就是d_op字段，指向了一系列dentry支持的操作的集合。典型的dentry支持的操作集合如下：

struct dentry_operations {
    int (*d_revalidate)(struct dentry *, int);
    int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
    int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
    int (*d_delete)(struct dentry *);
    void (*d_release)(struct dentry *);
    void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
};

dentry在需要使用时动态创建，并会被缓存。每个dentry有三种状态：

• used：与一个inode关联，正处于被VFS使用的状态，不能被损坏和丢弃
• unused：与inode关联，但处于被缓存状态，没有被VFS使用
• negative：没有与具体的inode关联（相当于是一个无效的路径）

dentry由于会被动态创建，为了提升系统性能，设计了一个dentry cache进行缓存，包括三个部分：

• used dentries 链表：记录每个正在使用的dentry，将其关联的inode的i_dentry字段指向的dentry链表连接起来形成一个dentry链表的链表
• LRU双向环链表：用于维护unused和negative状态的dentry对象，从头部插入，离头部越近就是最近访问过的。当需要删除dentry时，从队列尾部删除最旧的dentry
• hash table和hash function：用来快速查询一个给定的路径到dentry对象

File

文件对象是打开一个具体文件之后创建的一个内存数据结构，与具体的进程和用户相联系。一个文件对象包括的内容就是编程语言支持设置的各种文件打开的flag、mode，文件名称、当前的偏移等，其中非常重要的一个字段就是f_op，指向了当前文件所支持的操作集合。

struct file {
    struct dentry *f_dentry;
    struct vfsmount *f_vfsmnt;
    struct file_operations *f_op;
    mode_t f_mode;
    loff_t f_pos;
    struct fown_struct f_owner;
    unsigned int f_uid, f_gid;
    unsigned long f_version;
    ...
}

基本的操作集合如下，这也是使用应用程序可感知到的一系列接口。

struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char *, size_t, loff_t);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const char *, size_t, loff_t);
    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
    int (*fasync) (int, struct file *, int);
    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
    ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
    ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);
    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
};

VFS抽象组件间的关系

从用户角度来看VFS的时候，可以通过下图很容易的理解各个抽象组件间的协作关系：

每个打开的文件对用户来说有一个文件描述符，也就是VFS抽象的file object。file object指向一个dentry，dentry指向新的dentry或一个inode，inode最终代表了一个具体存储设备上的数据。
参考文献：

1、http://learnlinuxconcepts.blogspot.com/2014/10/the-virtual-filesystem.html

2、https://www.ibm.com/developerworks/library/l-virtual-filesystem-switch/

3、http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/fs/vfstour.html

4、https://www.win.tue.nl/~aeb/linux/lk/lk-8.html

5、https://www.kernel.org/doc/Documentation/filesystems/vfs.txt
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