参考《Linux内核设计与实现》
虚拟文件系统(VFS)它是linux核心和详细I/O一个普通的访问接口之间的包装设备,通过这层界面,linux内核能够以同一的方式訪问各种I/O设备。
虚拟文件系统本身是linux内核的一部分,是纯软件的东西。并不须要不论什么硬件的支持。
1. 虚拟文件系统的作用
虚拟文件系统(VFS)是linux内核和存储设备之间的抽象层,主要有下面优点。
- 简化了应用程序的开发:应用通过统一的系统调用訪问各种存储介质
- 简化了新文件系统增加内核的过程:新文件系统仅仅要实现VFS的各个接口就可以,不须要改动内核部分
2. 虚拟文件系统的4个主要对象虚拟文件里的4个主要对象,具体每一个对象的含义參见例如以下的具体介绍。
2.1 超级块
超级块(super_block)主要存储文件系统相关的信息,这是个针对文件系统级别的概念。
它一般存储在磁盘的特定扇区中,可是对于那些基于内存的文件系统(比方proc,sysfs),超级块是在使用时创建在内存中的。
超级块的定义在:<linux/fs.h>
/* * 超级块结构中定义的字段许多, * 这里仅仅介绍一些重要的属性 */struct super_block { struct list_head s_list; /* 指向全部超级块的链表 */ const struct super_operations *s_op; /* 超级块方法 */ struct dentry *s_root; /* 文件夹挂载点 */ struct mutex s_lock; /* 超级块信号量 */ int s_count; /* 超级块引用计数 */ struct list_head s_inodes; /* inode链表 */ struct mtd_info *s_mtd; /* 存储磁盘信息 */ fmode_t s_mode; /* 安装权限 */};/* * 当中的 s_op 中定义了超级块的操作方法 * 这里仅仅介绍一些相对重要的函数 */struct super_operations { struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); /* 创建和初始化一个索引节点对象 */ void (*destroy_inode)(struct inode *); /* 释放给定的索引节点 */ void (*dirty_inode) (struct inode *); /* VFS在索引节点被改动时会调用这个函数 */ int (*write_inode) (struct inode *, int); /* 将索引节点写入磁盘。wait表示写操作是否须要同步 */ void (*drop_inode) (struct inode *); /* 最后一个指向索引节点的引用被删除后,VFS会调用这个函数 */ void (*delete_inode) (struct inode *); /* 从磁盘上删除指定的索引节点 */ void (*put_super) (struct super_block *); /* 卸载文件系统时由VFS调用,用来释放超级块 */ void (*write_super) (struct super_block *); /* 用给定的超级块更新磁盘上的超级块 */ int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait); /* 使文件系统中的数据与磁盘上的数据同步 */ int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *); /* VFS调用该函数获取文件系统状态 */ int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *); /* 指定新的安装选项又一次安装文件系统时,VFS会调用该函数 */ void (*clear_inode) (struct inode *); /* VFS调用该函数释放索引节点,并清空包括相关数据的全部页面 */ void (*umount_begin) (struct super_block *); /* VFS调用该函数中断安装操作 */};
2.2 索引节点
索引节点是VFS中的核心概念,它包括内核在操作文件或文件夹时须要的所有信息。
一个索引节点代表文件系统中的一个文件(这里的文件不仅是指我们平时所觉得的普通的文件,还包含文件夹,特殊设备文件等等)。
索引节点和超级块一样是实际存储在磁盘上的,当被应用程序訪问到时才会在内存中创建。
索引节点定义在:<linux/fs.h>
/* * 索引节点结构中定义的字段许多。 * 这里仅仅介绍一些重要的属性 */struct inode { struct hlist_node i_hash; /* 散列表,用于高速查找inode */ struct list_head i_list; /* 索引节点链表 */ struct list_head i_sb_list; /* 超级块链表超级块 */ struct list_head i_dentry; /* 文件夹项链表 */ unsigned long i_ino; /* 节点号 */ atomic_t i_count; /* 引用计数 */ unsigned int i_nlink; /* 硬链接数 */ uid_t i_uid; /* 使用者id */ gid_t i_gid; /* 使用组id */ struct timespec i_atime; /* 最后訪问时间 */ struct timespec i_mtime; /* 最后改动时间 */ struct timespec i_ctime; /* 最后改变时间 */ const struct inode_operations *i_op; /* 索引节点操作函数 */ const struct file_operations *i_fop; /* 缺省的索引节点操作 */ struct super_block *i_sb; /* 相关的超级块 */ struct address_space *i_mapping; /* 相关的地址映射 */ struct address_space i_data; /* 设备地址映射 */ unsigned int i_flags; /* 文件系统标志 */ void *i_private; /* fs 私有指针 */};/* * 当中的 i_op 中定义了索引节点的操作方法 * 这里仅仅介绍一些相对重要的函数 */struct inode_operations { /* 为dentry对象创造一个新的索引节点 */ int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *); /* 在特定文件夹中寻找索引节点,该索引节点要相应于dentry中给出的文件名称 */ struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *); /* 创建硬链接 */ int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *); /* 从一个符号链接查找它指向的索引节点 */ void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *); /* 在 follow_link调用之后,该函数由VFS调用进行清除工作 */ void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *); /* 该函数由VFS调用,用于改动文件的大小 */ void (*truncate) (struct inode *);};
2.3 文件夹项
和超级块和索引节点不同,文件夹项并非实际存在于磁盘上的。
在使用的时候在内存中创建文件夹项对象。事实上通过索引节点已经能够定位到指定的文件。
可是索引节点对象的属性许多。在查找,比較文件时,直接用索引节点效率不高,所以引入了文件夹项的概念。
这里能够看做又引入了一个抽象层。文件夹项是对索引节点的抽象。。!
路径中的每一个部分都是一个文件夹项,比方路径: /mnt/cdrom/foo/bar 当中包括5个文件夹项。/ mnt cdrom foo bar
每一个文件夹项对象都有3种状态:被使用,未使用和负状态
- 被使用:相应一个有效的索引节点。而且该对象由一个或多个使用者
- 未使用:相应一个有效的索引节点。可是VFS当前并没有使用这个文件夹项
- 负状态:没有相应的有效索引节点(可能索引节点被删除或者路径不存在了)
文件夹项的目的就是提高文件查找,比較的效率。所以訪问过的文件夹项都会缓存在slab中。
slab中缓存的名称一般就是 dentry,能够通过例如以下命令查看:
[wangyubin@localhost kernel]$ sudo cat /proc/slabinfo | grep dentrydentry 212545 212625 192 21 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 10125 10125 0
文件夹项定义在:<linux/dcache.h>
/* 文件夹项对象结构 */struct dentry { atomic_t d_count; /* 使用计数 */ unsigned int d_flags; /* 文件夹项标识 */ spinlock_t d_lock; /* 单文件夹项锁 */ int d_mounted; /* 是否登录点的文件夹项 */ struct inode *d_inode; /* 相关联的索引节点 */ struct hlist_node d_hash; /* 散列表 */ struct dentry *d_parent; /* 父文件夹的文件夹项对象 */ struct qstr d_name; /* 文件夹项名称 */ struct list_head d_lru; /* 未使用的链表 */ /* * d_child and d_rcu can share memory */ union { struct list_head d_child; /* child of parent list */ struct rcu_head d_rcu; } d_u; struct list_head d_subdirs; /* 子文件夹链表 */ struct list_head d_alias; /* 索引节点别名链表 */ unsigned long d_time; /* 重置时间 */ const struct dentry_operations *d_op; /* 文件夹项操作相关函数 */ struct super_block *d_sb; /* 文件的超级块 */ void *d_fsdata; /* 文件系统特有数据 */ unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* 短文件名称 */};/* 文件夹项相关操作函数 */struct dentry_operations { /* 该函数推断文件夹项对象是否有效。VFS准备从dcache中使用一个文件夹项时会调用这个函数 */ int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *); /* 为文件夹项对象生成hash值 */ int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *); /* 比較 qstr 类型的2个文件名称 */ int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *); /* 当文件夹项对象的 d_count 为0时,VFS调用这个函数 */ int (*d_delete)(struct dentry *); /* 当文件夹项对象将要被释放时,VFS调用该函数 */ void (*d_release)(struct dentry *); /* 当文件夹项对象丢失其索引节点时(也就是磁盘索引节点被删除了)。VFS会调用该函数 */ void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *); char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);};
2.4 文件对象
文件对象表示进程已打开的文件,从用户角度来看。我们在代码中操作的就是一个文件对象。
文件对象反过来指向一个文件夹项对象(文件夹项反过来指向一个索引节点)
事实上仅仅有文件夹项对象才表示一个已打开的实际文件,尽管一个文件相应的文件对象不是唯一的,但其相应的索引节点和文件夹项对象却是唯一的。
文件对象的定义在: <linux/fs.h>
/* * 文件对象结构中定义的字段许多, * 这里仅仅介绍一些重要的属性 */struct file { union { struct list_head fu_list; /* 文件对象链表 */ struct rcu_head fu_rcuhead; /* 释放之后的RCU链表 */ } f_u; struct path f_path; /* 包括的文件夹项 */ const struct file_operations *f_op; /* 文件操作函数 */ atomic_long_t f_count; /* 文件对象引用计数 */};/* * 当中的 f_op 中定义了文件对象的操作方法 * 这里仅仅介绍一些相对重要的函数 */struct file_operations { /* 用于更新偏移量指针,由系统调用lleek()调用它 */ loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); /* 由系统调用read()调用它 */ ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); /* 由系统调用write()调用它 */ ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); /* 由系统调用 aio_read() 调用它 */ ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); /* 由系统调用 aio_write() 调用它 */ ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); /* 将给定文件映射到指定的地址空间上,由系统调用 mmap 调用它 */ int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); /* 创建一个新的文件对象,并将它和对应的索引节点对象关联起来 */ int (*open) (struct inode *, struct file *); /* 当已打开文件的引用计数降低时,VFS调用该函数 */ int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);};
2.5 四个对象之间关系图
上面分别介绍了4种对象分别的属性和方法,以下用图来展示这4个对象的和VFS之间关系以及4个对象之间的关系。
(这个图是依据我自己的理解画出来的,假设由错误请帮忙指出,谢谢!)
3. 文件系统相关的数据结构
处理上面4个基本的对象之外,VFS中还有2个专门针对文件系统的2个对象,
- struct file_system_type: 用来描写叙述文件系统的类型(比方ext3,ntfs等等)
- struct vfsmount : 描写叙述一个安装文件系统的实例
file_system_type 结构体位于:<linux/fs.h>
struct file_system_type { const char *name; /* 文件系统名称 */ int fs_flags; /* 文件系统类型标志 */ /* 从磁盘中读取超级块,而且在文件系统被安装时,在内存中组装超级块对象 */ int (*get_sb) (struct file_system_type *, int, const char *, void *, struct vfsmount *); /* 终止訪问超级块 */ void (*kill_sb) (struct super_block *); struct module *owner; /* 文件系统模块 */ struct file_system_type * next; /* 链表中下一个文件系统类型 */ struct list_head fs_supers; /* 超级块对象链表 */ /* 以下都是执行时的锁 */ struct lock_class_key s_lock_key; struct lock_class_key s_umount_key; struct lock_class_key i_lock_key; struct lock_class_key i_mutex_key; struct lock_class_key i_mutex_dir_key; struct lock_class_key i_alloc_sem_key;};
每种文件系统,无论由多少个实例安装到系统中,还是根本没有安装到系统中,都仅仅有一个 file_system_type 结构。
当文件系统被实际安装时。会在安装点创建一个 vfsmount 结构体。
结构体代表文件系统的实例。也就是文件系统被安装几次,就会创建几个 vfsmount
vfsmount 的定义參见:<linux/mount.h>
struct vfsmount { struct list_head mnt_hash; /* 散列表 */ struct vfsmount *mnt_parent; /* 父文件系统,也就是要挂载到哪个文件系统 */ struct dentry *mnt_mountpoint; /* 安装点的文件夹项 */ struct dentry *mnt_root; /* 该文件系统的根文件夹项 */ struct super_block *mnt_sb; /* 该文件系统的超级块 */ struct list_head mnt_mounts; /* 子文件系统链表 */ struct list_head mnt_child; /* 子文件系统链表 */ int mnt_flags; /* 安装标志 */ /* 4 bytes hole on 64bits arches */ const char *mnt_devname; /* 设备文件名称 e.g. /dev/dsk/hda1 */ struct list_head mnt_list; /* 描写叙述符链表 */ struct list_head mnt_expire; /* 到期链表的入口 */ struct list_head mnt_share; /* 共享安装链表的入口 */ struct list_head mnt_slave_list;/* 从安装链表 */ struct list_head mnt_slave; /* 从安装链表的入口 */ struct vfsmount *mnt_master; /* 从安装链表的主人 */ struct mnt_namespace *mnt_ns; /* 相关的命名空间 */ int mnt_id; /* 安装标识符 */ int mnt_group_id; /* 组标识符 */ /* * We put mnt_count & mnt_expiry_mark at the end of struct vfsmount * to let these frequently modified fields in a separate cache line * (so that reads of mnt_flags wont ping-pong on SMP machines) */ atomic_t mnt_count; /* 使用计数 */ int mnt_expiry_mark; /* 假设标记为到期,则为 True */ int mnt_pinned; /* "钉住"进程计数 */ int mnt_ghosts; /* "镜像"引用计数 */#ifdef CONFIG_SMP int *mnt_writers; /* 写者引用计数 */#else int mnt_writers; /* 写者引用计数 */#endif};
4. 进程相关的数据结构
以上介绍的都是在内核角度看到的 VFS 各个结构,所以结构体中包括的属性许多。
而从进程的角度来看的话,大多数时候并不须要那么多的属性,全部VFS通过下面3个结构体和进程紧密联系在一起。
- struct files_struct :由进程描写叙述符中的 files 文件夹项指向。全部与单个进程相关的信息(比方打开的文件和文件描写叙述符)都包括在当中。
- struct fs_struct :由进程描写叙述符中的 fs 域指向。包括文件系统和进程相关的信息。
- struct mmt_namespace :由进程描写叙述符中的 mmt_namespace 域指向。
struct files_struct 位于:<linux/fdtable.h>
struct files_struct { atomic_t count; /* 使用计数 */ struct fdtable *fdt; /* 指向其它fd表的指针 */ struct fdtable fdtab;/* 基 fd 表 */ spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp; /* 单个文件的锁 */ int next_fd; /* 缓存下一个可用的fd */ struct embedded_fd_set close_on_exec_init; /* exec()时关闭的文件描写叙述符链表 */ struct embedded_fd_set open_fds_init; /* 打开的文件描写叙述符链表 */ struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; /* 缺省的文件对象数组 */};
struct fs_struct 位于:<linux/fs_struct.h>
struct fs_struct { int users; /* 用户数目 */ rwlock_t lock; /* 保护结构体的读写锁 */ int umask; /* 掩码 */ int in_exec; /* 当前正在运行的文件 */ struct path root, pwd; /* 根文件夹路径和当前工作文件夹路径 */};
struct mmt_namespace 位于:<linux/mmt_namespace.h>
可是在2.6内核之后似乎没有这个结构体了,而是用 struct nsproxy 来取代。
下面是 struct task_struct 结构体中关于文件系统的3个属性。
struct task_struct 的定义位于:<linux/sched.h>
/* filesystem information */ struct fs_struct *fs;/* open file information */ struct files_struct *files;/* namespaces */ struct nsproxy *nsproxy;
5. 小结
VFS 统一了文件系统的实现框架,使得在linux上实现新文件系统的工作变得简单。
眼下linux内核支持60多个文件系统,支持的文件系统的详细信息,查看 内核源代码 fs 内容目录。