理解linux虛擬檔案系統VFS – 概述

當前，除了linux標準的檔案系統Ext2/Ext3/Ext4外，存在很多種檔案系統，比如reiserfs, xfs, Windows的vfat NTFS，網路檔案系統nfs 以及flash 檔案系統jffs2, yaffs/yaffs2 ubifs。linux通過叫做VFS的中介層最這些檔案系統提供了完美的支援。

對於使用者來說，這些檔案系統是幾乎透明的，在大部分情況下，使用者通過libc和kernel的VFS互動，不需要關心底層檔案系統實現，但是有時應用程式也需要考慮底層檔案系統限制（比如fat vfat不支援連結，比如各個檔案系統支援最大檔案限制不同）。

VFS存在的意義

1. 向上對應用程式層提供一個標準的檔案操作介面；

2. 對下向檔案系統提供一個靈活的介面，以便其他動作系統的檔案系統可以方便的移植到Linux上；

3. VFS內部則通過系列高效的管理機制，比如inode cache, dentry cache 以及檔案系統的預讀等技術，使得底層檔案系統不需沉溺到複雜的核心操作，即可獲得高效能；

4. 此外VFS把一些複雜的操作分盡量抽象到VFS內部，使得底層檔案系統實現更簡單。

VFS架構圖

檔案系統分類

檔案系統一般可以分為以下幾類

1. 磁碟檔案系統

這類檔案系統數目最多，最常見：ext2/ext3/ext4檔案系統；resierfs檔案系統 SGI的XFS檔案系統；jffs2 yaffs ubifs等flash檔案系統；crasmfs squashfs等唯讀檔案系統；fat vfa ntfs等windows檔案系統；

這類檔案系統大部分都是基於塊裝置的檔案系統，檔案系統的資料和中繼資料都儲存在塊裝置上；flash檔案系統略有差別，flash檔案系統是位於MTD之上的，

flash檔案系統需要處理壞快，垃圾收集，磨損平衡等複雜的功能。f隨著SD/MMC卡的普及，以及flash檔案系統在可擴充性，啟動速度上的先天不足。flash檔案系統已經慢慢退出了嵌入式舞台。

cramfs squashfs存在的意義在於簡單，高效，穩定（簡單的東西自然穩定），在檔案系統唯讀情境，仍然會被用到。二者的共同特點就是唯讀，壓縮。我們要有這樣一個概念，檔案系統的複雜來源於寫資料，刪除，truncate操作，目錄添加刪除，因此一個唯讀檔案系統遠比可讀寫檔案系統簡單。最直觀的方法就是查看cramfs檔案系統實現代碼，只有區區兩個小檔案。

Reiserfs 提出了很多檔案系統的新概念，對小檔案的讀寫操作做了很大的最佳化，當然新概念過多，也是導致可讀性可理解性差的原因。此外由於reiserfs的作者Hans reiserfs因為殺妻罪名成立，所以reiserfs的開發也受到了影響。

XFS相當的複雜，後面我會單獨開一片分析

2. 特別的檔案系統

此類檔案系統也很常用，他們不是提供常規檔案儲存體和訪問，檔案系統建立在記憶體之上，提供特殊的檔案系統功能。如proc檔案系統，pipe檔案系統，以及tmpfs

3. 網路檔案系統

包括NFS CODA AFS等網路檔案系統

通用檔案模型

VFS為底層檔案系統提供了抽象，有兩種方式提供這種抽象。

1. 提供一個最小的通用模型，使得這個模型支援的功能是所有檔案系統的最小交集

2. 提供一個盡量大的通用模型，使得這個模型包含所有檔案系統功能的合集。

Linux採用第二種策略來實現VFS，因此VFS封裝了底層檔案系統的所有功能和抽象，VFS負責把應用程式層的請求轉寄給特定的檔案系統。

在處理檔案時，應用空間和核心空間使用的對象是不同的。對應用程式來說，檔案描述符用來表示一個檔案，這個檔案描述符是開啟檔案時核心分配給這個檔案的一個整數，注意，這個檔案描述符只在本進程內有效；而對於核心來說，則使用一個inode來表示一個檔案，這個inode可能對應著應用程式層多個進程內的多個檔案描述符。

inode

核心中的每一個檔案或者目錄都有一個inode，inode由兩個主要部分組成：

1. 描述檔案狀態的中繼資料，檔案中繼資料套件括檔案大小，許可權，類型，時間；

2. 檔案資料描述，則用來定義檔案資料在磁碟上的存放位置。

inode僅僅是檔案在核心記憶體中的表現形式，雖然每個檔案都有inode，但是並不是每個檔案在磁碟上都有對應磁碟inode，實際上有些檔案系統並沒有磁碟inode，inode的產生有時要藉助檔案系統掃描。

連結

連結是unix特有的概念，又分為軟連結和永久連結

軟連結又稱為符號連結，軟連結檔案內容指向一個檔案路徑，也就是檔案真實位置，軟連結指向的檔案也可以是軟連結

永久連結是兩個檔案分享權限設定同一個inode，

並不是所有的檔案系統都支援符號連結和永久連結，比如fat, yaffs等檔案系統並不支援符號連結。一般來說，沒有磁碟目錄結構的檔案系統肯定不支援永久連結，而沒有磁碟inode的肯定不支援連結。

軟永久連結雖然為linux/unix操作管理帶來了很多便利，但是在很多軟體實現上，往往引入很大的複雜性。

VFS 物件類型

VFS通用模型包含以下類型對象:

1. super block

隱藏檔系統相關的資訊，對於磁碟檔案系統來說，這個對象通常對應磁碟上的一個檔案系統控制塊（磁碟super block）

2. inode

儲存一個檔案相關的資訊，對於磁碟檔案系統，這個對象通常對應磁碟上的一個檔案控制區(磁碟inode)。每一個inode都對應一個編號，可以在檔案系統內唯一標識這個檔案。

3. file

file是和進程相關的，file代表一個開啟的檔案，file和inode之間是多對一的關係，因為多個進程可以開啟同一個檔案，系統會為每一次開啟都建立一個file結構。

4. dentry

底層檔案系統的許多操作嚴重依賴檔案的inode，在進行檔案操作前，我們需要根據路徑名找到檔案對應的inode。我們知道檔案系統是樹狀結構的，因此需要從根目錄通過分類樹找到要操作的檔案或目錄，這個遍曆過程涉及到磁碟操作，非常耗時。根據局部性原理，很有必要把這個尋找過程cache起來，dentry就是為了加快目錄遍曆操作引入的資料結構。

每一個基於磁碟的檔案系統，都有特定的方法用來構建分類樹。一般來說有兩種方式：

1. 磁碟上儲存著目錄項

2. 通過磁碟檔案的父子關係重建目錄項