linux的虛擬檔案系統VFS

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    虛擬檔案系統（virtual file system），別名虛擬檔案系統開關，是linux中的一個軟體層，向使用者空間提供檔案系統操作介面。

    VFS包含的系統調用包括open（2）、stat（2）、read（2）、write（2）、chmod（2）等等，這些系統調用在進程環境中執行。下面幾個重要的資料結構是VFS（虛擬檔案系統中涉及到的資料結構）：

    1、Directory Entry Cache（dcache）

    VFS實現了系統調用open（2）、stat（2）、chmod（2），和其他類似的檔案系統調用。用於這些系統調用中的參數被VFS用來進行directory entry cache的對象搜尋，其中directory entry cache有多個名字，比如dentry cache或者dcache。 通過dentry cache提供了一種快速尋找機制，可以快速的根據路徑名字找到具體的dentry。需要特別說明的是：dentry是存在於記憶體中的，不會儲存到磁碟上進行非揮發性儲存體的。

    2、inode 對象

    每一個dentry對象都有一個指標指向具體的inode對象。inode是檔案系統的對象，比如正規檔案（regular file）、目錄（directory）、FIFO（管道）。這些inode對象存在於磁碟（塊裝置檔案檔案系統）或者記憶體（linux下的偽檔案系統procfs）。如果是存在於磁碟上的inode對象則需要載入到記憶體中去，當發生的改變需要儲存到磁碟上去。一個inode對象可能有多個dentry對象指向它（因為linux下實現了硬串連特性）。

    為了尋找一個具體的inode對象需要在父目錄的inode上執行lookup操作。而具體的lookup方法是由inode存放的檔案系統具體的實現，這個操作是由具體的檔案系統進行初始化。一旦VFS擁有具體的dentry對象的時候，很多系統調用就可以迅速完成，比如stat（2）系統調用，它就是擷取inode上的資料，根據dentry上的指標可以迅速的找到inode對象。

    3、File對象

    開啟一個檔案還需要另外一個操作：分配一個File結構的對象（這是linux核心端的檔案描述符的實現）。新申請的File對象初始化了一個指標指向dentry對象和多個檔案操作函數（比如read、write、mmap等操作）。File資料結構放在這個進程的檔案描述表中（file descriptor table）。

    使用者空間的read、write等操作都是通過使用者空間態（userspace file descriptor）的描述符獲得正確的File結構，然後調用File結構中的具體的方法。只要檔案處於開啟狀態，linux核心中就有對應的dentry對象，自然也有對象的inode對象。

    4、檔案系統對象（filesystem）

    登記和卸載一個檔案系統使用下面的函數調用。    

    #include <linux/fs.h>

    extern int register_filesystem(struct file_system_type *);

     extern int unregister_filesystem(struct file_system_type *); 

    傳入的參數struct file_system_type描述了具體的檔案系統。當發出一個命令，需要在你的名字空間的一個目錄上掛載一個檔案系統的時候，VFS會調用具體檔案中的mount方法。當mount操作完成之後，會返回一個struct dentry對象，這個時候會建立一個vfsmount對象，用於指向這個dentry對象，同時這個vfsmount對象會添加到這個掛載點上。所以當路徑解析到達這個目錄的時候，會跳轉到這個vfsmount指向的檔案系統中去。

    在/proc/filesystems下可以觀察到所有掛載的檔案系統。

    以下是file_system_type結構：

    struct file_system_type {

    const char *name;
    int fs_flags;
    struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
                       const char *, void *);
    void (*kill_sb) (struct super_block *);
    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;

    }; 

    name：檔案系統的名字，當前支援的檔案名稱字有“ext2”，“ext3”，“ext4”，“msdos”等

    fs_flags：一些標誌，比如：FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE

    mount：重要的field，當一個filesystem執行個體化的時候需要具體的filesystem的mount方法

    5、superblock對象 

    一個superblock（超級塊）對象代表了一個掛載的檔案系統。

    下面是關於超級塊的操作的資料結構：

    struct super_operations {

        struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
        void (*destroy_inode)(struct inode *);
        void (*dirty_inode) (struct inode *, int flags);
        int (*write_inode) (struct inode *, int);
        void (*drop_inode) (struct inode *);
        void (*delete_inode) (struct inode *);
        void (*put_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 dentry *);
        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 (*nr_cached_objects)(struct super_block *);
        void (*free_cached_objects)(struct super_block *, int);

    };

   所有的方法都沒有lock來維持，這說明了這些方法只可以在一個進程上下文中執行，不能在中斷上下文中執行。

   6、address space對象 

   address_space對象用於對page cache中的page進行分組和管理。它可以用來跟蹤一個檔案中的page cache和一個檔案中映射到進程地址空間中的檔案地區。

   address space提供了大量有顯著特徵的服務，比如根據通過地址尋找page，追蹤標誌為Dirty或者WriteBack的page。

 

   Further Reading：

   1.Creating Linux virtual filesystems. 2002. http://lwn.net/Articles/13325/

   2.A tour of the Linux VFS by Michael K. Johnson. 1996. http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/fs/vfstour.html

 

linux的虛擬檔案系統VFS