虛擬文件系統（VFS）是linux內核和具體I/O設備之間的封裝的一層共通訪問接口，通過這層接口，linux內核可以以同一的方式訪問各種I/O設備。
虛擬文件系統本身是linux內核的一部分，是純軟件的東西，並不需要任何硬件的支持。
主要內容：
- 虛擬文件系統的作用
- 虛擬文件系統的4個主要對象
- 文件系統相關的數據結構
- 進程相關的數據結構
- 小結
1. 虛擬文件系統的作用
虛擬文件系統(VFS)是linux內核和存儲設備之間的抽象層，主要有以下好處。
- 簡化了應用程序的開發：應用通過統一的系統調用訪問各種存儲介質
- 簡化了新文件系統加入內核的過程：新文件系統只要實現VFS的各個接口即可，不需要修改內核部分
2. 虛擬文件系統的4個主要對象
虛擬文件中的4個主要對象，具體每個對象的含義參見如下的詳細介紹。
2.1 超級塊
超級塊(super_block)主要存儲文件系統相關的信息，這是個針對文件系統級別的概念。
它一般存儲在磁盤的特定扇區中，但是對於那些基於內存的文件系統(比如proc,sysfs)，超級塊是在使用時創建在內存中的。
超級塊的定義在：<linux/fs.h>
/* * 超級塊結構中定義的字段非常多， * 這裏只介紹一些重要的屬性 */ struct super_block { struct list_head s_list; /* 指向所有超級塊的鏈表 */ const struct super_operations *s_op; /* 超級塊方法 */ struct dentry *s_root; /* 目錄掛載點 */ struct mutex s_lock; /* 超級塊信號量 */ int s_count; /* 超級塊引用計數 */ struct list_head s_inodes; /* inode鏈表 */ struct mtd_info *s_mtd; /* 存儲磁盤信息 */ fmode_t s_mode; /* 安裝權限 */ }; /* * 其中的 s_op 中定義了超級塊的操作方法 * 這裏只介紹一些相對重要的函數 */ struct super_operations { struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); /* 創建和初始化一個索引節點對象 */ void (*destroy_inode)(struct inode *); /* 釋放給定的索引節點 */ void (*dirty_inode) (struct inode *); /* VFS在索引節點被修改時會調用這個函數 */ int (*write_inode) (struct inode *, int); /* 將索引節點寫入磁盤，wait表示寫操作是否需要同步 */ void (*drop_inode) (struct inode *); /* 最後一個指向索引節點的引用被刪除後，VFS會調用這個函數 */ void (*delete_inode) (struct inode *); /* 從磁盤上刪除指定的索引節點 */ void (*put_super) (struct super_block *); /* 卸載文件系統時由VFS調用，用來釋放超級塊 */ void (*write_super) (struct super_block *); /* 用給定的超級塊更新磁盤上的超級塊 */ int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait); /* 使文件系統中的數據與磁盤上的數據同步 */ int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *); /* VFS調用該函數獲取文件系統狀態 */ int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *); /* 指定新的安裝選項重新安裝文件系統時，VFS會調用該函數 */ void (*clear_inode) (struct inode *); /* VFS調用該函數釋放索引節點，並清空包含相關數據的所有頁面 */ void (*umount_begin) (struct super_block *); /* VFS調用該函數中斷安裝操作 */ };
2.2 索引節點
索引節點是VFS中的核心概念，它包含內核在操作文件或目錄時需要的全部信息。
一個索引節點代表文件系統中的一個文件(這裏的文件不僅是指我們平時所認爲的普通的文件，還包括目錄，特殊設備文件等等)。
索引節點和超級塊一樣是實際存儲在磁盤上的，當被應用程序訪問到時纔會在內存中創建。
索引節點定義在：<linux/fs.h>
/* * 索引節點結構中定義的字段非常多， * 這裏只介紹一些重要的屬性 */ struct inode { struct hlist_node i_hash; /* 散列表，用於快速查找inode */ struct list_head i_list; /* 索引節點鏈表 */ struct list_head i_sb_list; /* 超級塊鏈表超級塊 */ struct list_head i_dentry; /* 目錄項鍊表 */ unsigned long i_ino; /* 節點號 */ atomic_t i_count; /* 引用計數 */ unsigned int i_nlink; /* 硬鏈接數 */ uid_t i_uid; /* 使用者id */ gid_t i_gid; /* 使用組id */ struct timespec i_atime; /* 最後訪問時間 */ struct timespec i_mtime; /* 最後修改時間 */ struct timespec i_ctime; /* 最後改變時間 */ const struct inode_operations *i_op; /* 索引節點操作函數 */ const struct file_operations *i_fop; /* 缺省的索引節點操作 */ struct super_block *i_sb; /* 相關的超級塊 */ struct address_space *i_mapping; /* 相關的地址映射 */ struct address_space i_data; /* 設備地址映射 */ unsigned int i_flags; /* 文件系統標誌 */ void *i_private; /* fs 私有指針 */ }; /* * 其中的 i_op 中定義了索引節點的操作方法 * 這裏只介紹一些相對重要的函數 */ struct inode_operations { /* 爲dentry對象創造一個新的索引節點 */ int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *); /* 在特定文件夾中尋找索引節點，該索引節點要對應於dentry中給出的文件名 */ struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *); /* 創建硬鏈接 */ int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *); /* 從一個符號鏈接查找它指向的索引節點 */ void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *); /* 在 follow_link調用之後，該函數由VFS調用進行清除工作 */ void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *); /* 該函數由VFS調用，用於修改文件的大小 */ void (*truncate) (struct inode *); };
2.3 目錄項
和超級塊和索引節點不同，目錄項並不是實際存在於磁盤上的。
在使用的時候在內存中創建目錄項對象，其實通過索引節點已經可以定位到指定的文件，
但是索引節點對象的屬性非常多，在查找，比較文件時，直接用索引節點效率不高，所以引入了目錄項的概念。
路徑中的每個部分都是一個目錄項，比如路徑： /mnt/cdrom/foo/bar 其中包含5個目錄項，/ mnt cdrom foo bar
每個目錄項對象都有3種狀態：被使用，未使用和負狀態
- 被使用：對應一個有效的索引節點，並且該對象由一個或多個使用者
- 未使用：對應一個有效的索引節點，但是VFS當前並沒有使用這個目錄項
- 負狀態：沒有對應的有效索引節點（可能索引節點被刪除或者路徑不存在了）
目錄項的目的就是提高文件查找，比較的效率，所以訪問過的目錄項都會緩存在slab中。
slab中緩存的名稱一般就是 dentry，可以通過如下命令查看：
[wangyubin@localhost kernel]$ sudo cat /proc/slabinfo | grep dentry dentry 212545 212625 192 21 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 10125 10125 0
目錄項定義在：<linux/dcache.h>
/* 目錄項對象結構 */ struct dentry { atomic_t d_count; /* 使用計數 */ unsigned int d_flags; /* 目錄項標識 */ spinlock_t d_lock; /* 單目錄項鎖 */ int d_mounted; /* 是否登錄點的目錄項 */ struct inode *d_inode; /* 相關聯的索引節點 */ struct hlist_node d_hash; /* 散列表 */ struct dentry *d_parent; /* 父目錄的目錄項對象 */ struct qstr d_name; /* 目錄項名稱 */ struct list_head d_lru; /* 未使用的鏈表 */ /* * d_child and d_rcu can share memory */ union { struct list_head d_child; /* child of parent list */ struct rcu_head d_rcu; } d_u; struct list_head d_subdirs; /* 子目錄鏈表 */ struct list_head d_alias; /* 索引節點別名鏈表 */ unsigned long d_time; /* 重置時間 */ const struct dentry_operations *d_op; /* 目錄項操作相關函數 */ struct super_block *d_sb; /* 文件的超級塊 */ void *d_fsdata; /* 文件系統特有數據 */ unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* 短文件名 */ }; /* 目錄項相關操作函數 */ struct dentry_operations { /* 該函數判斷目錄項對象是否有效。VFS準備從dcache中使用一個目錄項時會調用這個函數 */ int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *); /* 爲目錄項對象生成hash值 */ int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *); /* 比較 qstr 類型的2個文件名 */ int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *); /* 當目錄項對象的 d_count 爲0時，VFS調用這個函數 */ int (*d_delete)(struct dentry *); /* 當目錄項對象將要被釋放時，VFS調用該函數 */ void (*d_release)(struct dentry *); /* 當目錄項對象丟失其索引節點時（也就是磁盤索引節點被刪除了），VFS會調用該函數 */ void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *); char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int); };
2.4 文件對象
文件對象表示進程已打開的文件，從用戶角度來看，我們在代碼中操作的就是一個文件對象。
文件對象反過來指向一個目錄項對象（目錄項反過來指向一個索引節點）
其實只有目錄項對象才表示一個已打開的實際文件，雖然一個文件對應的文件對象不是唯一的，但其對應的索引節點和目錄項對象卻是唯一的。
文件對象的定義在: <linux/fs.h>
/* * 文件對象結構中定義的字段非常多， * 這裏只介紹一些重要的屬性 */ struct file { union { struct list_head fu_list; /* 文件對象鏈表 */ struct rcu_head fu_rcuhead; /* 釋放之後的RCU鏈表 */ } f_u; struct path f_path; /* 包含的目錄項 */ const struct file_operations *f_op; /* 文件操作函數 */ atomic_long_t f_count; /* 文件對象引用計數 */ }; /* * 其中的 f_op 中定義了文件對象的操作方法 * 這裏只介紹一些相對重要的函數 */ struct file_operations { /* 用於更新偏移量指針,由系統調用lleek()調用它 */ loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); /* 由系統調用read()調用它 */ ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); /* 由系統調用write()調用它 */ ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); /* 由系統調用 aio_read() 調用它 */ ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); /* 由系統調用 aio_write() 調用它 */ ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); /* 將給定文件映射到指定的地址空間上,由系統調用 mmap 調用它 */ int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); /* 創建一個新的文件對象,並將它和相應的索引節點對象關聯起來 */ int (*open) (struct inode *, struct file *); /* 當已打開文件的引用計數減少時,VFS調用該函數 */ int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); };
2.5 四個對象之間關係圖
上面分別介紹了4種對象分別的屬性和方法,下面用圖來展示這4個對象的和VFS之間關係以及4個對象之間的關係。
(這個圖是根據我自己的理解畫出來的,如果由錯誤請幫忙指出,謝謝!)
3. 文件系統相關的數據結構
處理上面4個主要的對象之外，VFS中還有2個專門針對文件系統的2個對象，
- struct file_system_type: 用來描述文件系統的類型（比如ext3,ntfs等等）
- struct vfsmount : 描述一個安裝文件系統的實例
file_system_type 結構體位於：<linux/fs.h>
struct file_system_type { const char *name; /* 文件系統名稱 */ int fs_flags; /* 文件系統類型標誌 */ /* 從磁盤中讀取超級塊,並且在文件系統被安裝時,在內存中組裝超級塊對象 */ int (*get_sb) (struct file_system_type *, int, const char *, void *, struct vfsmount *); /* 終止訪問超級塊 */ void (*kill_sb) (struct super_block *); struct module *owner; /* 文件系統模塊 */ struct file_system_type * next; /* 鏈表中下一個文件系統類型 */ struct list_head fs_supers; /* 超級塊對象鏈表 */ /* 下面都是運行時的鎖 */ struct lock_class_key s_lock_key; struct lock_class_key s_umount_key; struct lock_class_key i_lock_key; struct lock_class_key i_mutex_key; struct lock_class_key i_mutex_dir_key; struct lock_class_key i_alloc_sem_key; };
每種文件系統,不管由多少個實例安裝到系統中,還是根本沒有安裝到系統中,都只有一個 file_system_type 結構。
當文件系統被實際安裝時，會在安裝點創建一個 vfsmount 結構體。
結構體代表文件系統的實例，也就是文件系統被安裝幾次，就會創建幾個 vfsmount
vfsmount 的定義參見：<linux/mount.h>
struct vfsmount { struct list_head mnt_hash; /* 散列表 */ struct vfsmount *mnt_parent; /* 父文件系統，也就是要掛載到哪個文件系統 */ struct dentry *mnt_mountpoint; /* 安裝點的目錄項 */ struct dentry *mnt_root; /* 該文件系統的根目錄項 */ struct super_block *mnt_sb; /* 該文件系統的超級塊 */ struct list_head mnt_mounts; /* 子文件系統鏈表 */ struct list_head mnt_child; /* 子文件系統鏈表 */ int mnt_flags; /* 安裝標誌 */ /* 4 bytes hole on 64bits arches */ const char *mnt_devname; /* 設備文件名 e.g. /dev/dsk/hda1 */ struct list_head mnt_list; /* 描述符鏈表 */ struct list_head mnt_expire; /* 到期鏈表的入口 */ struct list_head mnt_share; /* 共享安裝鏈表的入口 */ struct list_head mnt_slave_list;/* 從安裝鏈表 */ struct list_head mnt_slave; /* 從安裝鏈表的入口 */ struct vfsmount *mnt_master; /* 從安裝鏈表的主人 */ struct mnt_namespace *mnt_ns; /* 相關的命名空間 */ int mnt_id; /* 安裝標識符 */ int mnt_group_id; /* 組標識符 */ /* * We put mnt_count & mnt_expiry_mark at the end of struct vfsmount * to let these frequently modified fields in a separate cache line * (so that reads of mnt_flags wont ping-pong on SMP machines) */ atomic_t mnt_count; /* 使用計數 */ int mnt_expiry_mark; /* 如果標記爲到期，則爲 True */ int mnt_pinned; /* "釘住"進程計數 */ int mnt_ghosts; /* "鏡像"引用計數 */ #ifdef CONFIG_SMP int *mnt_writers; /* 寫者引用計數 */ #else int mnt_writers; /* 寫者引用計數 */ #endif };
4. 進程相關的數據結構
以上介紹的都是在內核角度看到的 VFS 各個結構，所以結構體中包含的屬性非常多。
而從進程的角度來看的話，大多數時候並不需要那麼多的屬性，所有VFS通過以下3個結構體和進程緊密聯繫在一起。
- struct files_struct ：由進程描述符中的 files 目錄項指向，所有與單個進程相關的信息(比如打開的文件和文件描述符)都包含在其中。
- struct fs_struct ：由進程描述符中的 fs 域指向，包含文件系統和進程相關的信息。
- struct mmt_namespace ：由進程描述符中的 mmt_namespace 域指向。
struct files_struct 位於：<linux/fdtable.h>
struct files_struct { atomic_t count; /* 使用計數 */ struct fdtable *fdt; /* 指向其他fd表的指針 */ struct fdtable fdtab;/* 基 fd 表 */ spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp; /* 單個文件的鎖 */ int next_fd; /* 緩存下一個可用的fd */ struct embedded_fd_set close_on_exec_init; /* exec()時關閉的文件描述符鏈表 */ struct embedded_fd_set open_fds_init; /* 打開的文件描述符鏈表 */ struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; /* 缺省的文件對象數組 */ };
struct fs_struct 位於：<linux/fs_struct.h>
struct fs_struct { int users; /* 用戶數目 */ rwlock_t lock; /* 保護結構體的讀寫鎖 */ int umask; /* 掩碼 */ int in_exec; /* 當前正在執行的文件 */ struct path root, pwd; /* 根目錄路徑和當前工作目錄路徑 */ };
struct mmt_namespace 位於：<linux/mmt_namespace.h>
但是在2.6內核之後似乎沒有這個結構體了，而是用 struct nsproxy 來代替。
以下是 struct task_struct 結構體中關於文件系統的3個屬性。
struct task_struct 的定義位於：<linux/sched.h>
/* filesystem information */ struct fs_struct *fs; /* open file information */ struct files_struct *files; /* namespaces */ struct nsproxy *nsproxy;
5. 小結
VFS 統一了文件系統的實現框架，使得在linux上實現新文件系統的工作變得簡單。
目前linux內核中已經支持60多種文件系統，具體支持的文件系統可以查看 內核源碼 fs 文件夾下的內容。