虚拟文件系统 - Linux Kernel Development阅读笔记

Linux将访问文件系统的接口统一为虚拟文件系统（VFS）接口，消除了文件系统间和硬件存储介质之间的差异。

write() -> sys_write() -> filesystem's write method -> physical media

Unix 文件系统

四个基础概念：files, directory entries(dentry), inode和mount point。

一个全局的层级架构作为namespace，文件系统可以挂载在这个层级架构的任何一个位置上。这使得所有的文件系统最后都成为一棵树上的条目，它们所在的位置称为挂载点（mount point）。在这一点上和Windows系统以驱动器号（C盘、D盘...）作为一个个namespace的边界明显不同。

文件（file）是一串有序字节。文件信息（metadata，如文件权限、文件名）和文件本身分开，单独存放在一个结构体中，称为inode。

文件存放在目录中，目录中也可以存放目录，不同层级的目录和最后一级的文件名可以共同构成一条路径（path），而路径中的每个部分则称为目录项（dentry）。例如，/home/wolfman/butter是一个指向butter文件的路径，其中的/、home、wolfman、butter都是dentry。

文件系统本身的控制信息存放在superblock中。

Linux系统的VFS基于上面这些概念运行，即使如一些非Unix文件系统本身并不支持这些概念，它们在Unix上运行时也需要在内存中单独实现这些概念和结构。

VFS对象和它们的结构体

上面四个概念在VFS中实现为对应的四个对象（object）。

• 需要注意的是，VFS将目录（directory）当作一般文件处理，dentry≠directory，二者是两个不相关的概念。

每种对象有自己的操作符对象xxxx_operations。

• 尽管Linux所使用的C语言不支持面向对象特性（即操作符明明是对象实例的成员(object->object_operations)，但却并不能轻易获得自己所在实例的信息），但是这个概念仍然是可实现的，只是需要手动向操作符传递实例信息，例如sb->s_op->write_super(sb)。

Superblock 对象

superblock对象由每个文件系统实现，用来存放描述自身的信息。

superblock通常位于磁盘的某个特定位置上。对于不基于磁盘的文件系统，例如虚拟内存文件系统，superblock通常实时生成，并存放在内存里。

Inode 对象

inode对象用于描述某个文件或目录的所有信息。

对于Unix风格的文件系统，inode通常从磁盘直接读取到内存中。没有inode概念的文件系统通常在内存中建立inode对象，用它们自己所支持的方式填充inode结构体中的信息。

Dentry 对象

dentry是一条路径（path）中的某个组成部分，既可以是目录，也可以是文件。

• 解析一条路径是一个需要耗费时间的工作，并且有些操作需要基于目录进行（例如查找路径名，确认路径是否可用），所以VFS提出了dentry的概念，来缩短这些工作的处理时间。

dentry在VFS需要进行目录操作的时候实时生成，所以和前两者不同，磁盘上并没有数据结构体对应它。

dentry有三个状态：used、unused和negative。

• used：dentry对应一个可用的inode，并且自身正在被多个用户使用。
• unused：dentry对应一个可用inode，但自身没有被任何用户使用。
• negative：dentry没有对应可用inode，例如目录名实际不存在。
  三种情况的dentry都位于内存slab object cache，可以被释放。

生成和使用过的dentry会被内核存放在内存的dentry cache（dcache）中，dcache由三个部分组成：

• used dentry列表
• unused dentry和negative dentry的最近最少使用（LRU）列表，当内存不足时从队尾丢弃dentry
• 用于快速解析path到dentry的哈希表
  此外，dcache还提供了icache接口，用于存放dcache中dentry所对应的inode。这样当path成功在cache中找到dentry时，dentry对应的inode也一定在cache中。

File 对象

file对象用于表示一个进程打开的文件。当我们从用户空间的视角看VFS时，会发现每个进程所处理的对象并不是superblock、inode或dentry，而是一个个文件。

file对象是某个打开了的文件在内存中的表示形式，它由open()系统调用创建，由close()系统调用释放。由于一个文件可以同时被多个进程打开和操作，所以一个文件可能在内存中对应多个file对象。

文件系统特有数据结构

Linux支持大量的文件系统，而每种文件系统又有自己特有的能力，这时候需要一个特殊的结构体来描述这些信息，即file_system_type结构体。

一种文件系统只有一个file_system_type结构体，不管它在系统中有多少个实例。

当文件系统被挂载时，相当于文件系统创建了一个实例。此时会创建vfsmount结构体，存放它作为一个实例的具体信息，例如挂载标志（mnt_flag）。

进程特有数据结构

每个进程有自己的打开文件、根文件系统和当前工作目录等。其中有三个数据结构和VFS相绑定，files_struct、fs_struct和namespace。