浅谈 Linux 虚拟文件系统

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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：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 超级块

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<linux/fs.h>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

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 索引

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<linux/fs.h>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。

等等，我们常规的文件操作，都能在索引节点中找到相应的操作接口。

2.3 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<linux/dcache.h>中，主要包含：

• 父目录项对象地址

• 子目录项链表

• 目录关联的索引节点对象

• 目录项操作指针

• 等等

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<linux/fs.h>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

• 等等等等

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

• 等

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

• 等

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。

4. 参考

• 深入理解 Linux 内核

• Linux 内核设计与实现

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