linux 虛擬檔案系統VFS__linux

與其它系統完美共存是linux的成功之處之一，linux可以透明掛載其它系統檔案格式的磁碟或分區，如Windows的FAT32、NTFS等；

linux使用虛擬檔案系統VFS（Virtual Filesystem Switch）來支援多種類型的檔案系統。
VFS的思想是：將不同類型檔案系統資訊存放到核心中，linux所有檔案系統支援的每個操作都有一個域與之對應，當讀、寫或其它功能調用時核心將該域替換成具體檔案系統的操作。
如ext4_file_open表示EXT4檔案開啟操作，ntfs_file_open表示NTFS檔案開啟操作；域open表示所有檔案系統的檔案開啟操作，在開啟EXT4檔案系統檔案時將open替換成ext4_file_open，在開啟NTFS檔案系統檔案時將open替換成ntfs_file_open；這樣就能實現統一介面open開啟不同格式檔案系統的檔案。

 

I.VFS作用
VFS提供不同檔案系統的統一介面，將檔案系統相關的系統調用與具體檔案系統操作分開，系統調用通過VFS來操作具體檔案系統的檔案。

如，使用以下命令：

$ cp /floppy/TEST /tmp/test

/floppy是MS-DOS盤的掛載點，/tmp是EXT2目錄；因為VFS是系統調用（應用程式）與檔案系統實現之間的抽象層，所以cp不需要知道/floppy/TEST與/tmp/test的檔案系統類型，只會與VFS互動。
VFS在檔案拷貝過程中作用如下圖：

 

i.通用檔案模型
VFS使用通用檔案模型來表示所有的檔案系統，所有檔案系統的實現都必須將自己的物理結構轉換成VFS通用檔案模型。
例如，通用檔案模型將目錄當作內容是一系統檔案和目錄的檔案；但是，有些非UNIX檔案系統使用FAT來隱藏檔在分類樹中的位置，這些檔案系統中目錄不是檔案；為了遵循通用檔案模型，基於FAT的檔案系統必須構造目錄對應的檔案（這些檔案只存在核心記憶體中）。

 

核心不能寫入程式碼某個函數來處理read,ioctl等操作，必須使用指標指向具體檔案系統相應的函數，來實現這些操作。
如系統調用read，核心會調用sys_read；進而會調用file的讀操作，file->f_op->read(...)，而f_op就是指向具體檔案系統檔案操作的指標，這樣就能使用統一的檔案系統介面來操作檔案。
有些情況，VFS自己就能完成檔案操作，而不需要依賴底層具體的檔案系統；如關閉開啟的檔案，VFS只需要釋放記憶體中的file對象，而不需要磁碟檔案操作；同樣，lseek只是改變file對象中的指標，也不需要磁碟檔案操作。所以可以把VFS當做通用檔案系統，如有必要VFS才會使用具體的檔案系統。

 

可以把通用檔案模型視作是物件導向的，使用包含資料與函數指標的結構體來實現物件導向編程。
通用檔案模型主要有以下物件類型：
superblock：儲存掛載的檔案系統資訊；基於磁碟的檔案系統，superblock通常對應磁碟上的檔案系統控制塊
dentry：儲存目錄項與檔案的關聯資訊；基於磁碟的檔案系統，使用不同的方式儲存該資訊
inode：儲存檔案的資訊；基於磁碟的檔案系統，inode通常對應檔案控制區；每個inode有一個唯一的inode number，用來標識檔案系統中的檔案。
file：儲存進程與開啟檔案的互動資訊；只有在進程開啟檔案時，核心記憶體中才會有file對象
下圖闡述進程操作檔案時這幾種對象之間的關係：

三個進程開啟了相同的檔案，有兩個硬串連指向該檔案（兩個目錄項指向該檔案），其中兩個進程使用其中一個硬串連，另一進程使用另外一個硬串連。
每個進程使用自己的file對象，2個硬串連使用2個dentry對象，2個dentry使用同一個inode；inode標識出superblock，並與superblock一起標識出磁碟檔案。

 

ii.緩衝加速
VFS除了提供統一的檔案系統介面外，同時在系統效能上也有重要作用。
1.將最近使用的dentry對象放在dentry緩衝中，來加速檔案的尋找；
2.將檔案內容儲存在頁緩衝中，來加速檔案操作；

 

 

II.VFS資料結構
VFS對象儲存在相應的資料結構中，既包含對象屬性，也包含對象方法列表指標；核心會動態修改對象方法列表指標，進而實現對象的多態。
下圖是VFS涉及的主要對象結構及它們之間的關係：