1. 虛擬文件系統(tǒng)概述
1.1 VFS簡介
虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System，簡稱VFS）是Linux內(nèi)核的子系統(tǒng)之一，它為用戶程序提供文件和文件系統(tǒng)操作的統(tǒng)一接口，屏蔽不同文件系統(tǒng)的差異和操作細(xì)節(jié)。借助VFS可以直接使用open()、read()、write()這樣的系統(tǒng)調(diào)用操作文件，而無須考慮具體的文件系統(tǒng)和實(shí)際的存儲介質(zhì)。
舉個例子，Linux用戶程序可以通過read() 來讀取ext3、NFS、XFS等文件系統(tǒng)的文件，也可以讀取存儲在SSD、HDD等不同存儲介質(zhì)的文件，無須考慮不同文件系統(tǒng)或者不同存儲介質(zhì)的差異。
通過VFS系統(tǒng)，Linux提供了通用的系統(tǒng)調(diào)用，可以跨越不同文件系統(tǒng)和介質(zhì)之間執(zhí)行，極大簡化了用戶訪問不同文件系統(tǒng)的過程。另一方面，新的文件系統(tǒng)、新類型的存儲介質(zhì)，可以無須編譯的情況下，動態(tài)加載到Linux中。
"一切皆文件"是Linux的基本哲學(xué)之一，不僅是普通的文件，包括目錄、字符設(shè)備、塊設(shè)備、套接字等，都可以以文件的方式被對待。實(shí)現(xiàn)這一行為的基礎(chǔ)，正是Linux的虛擬文件系統(tǒng)機(jī)制。
1.2 VFS原理
VFS之所以能夠銜接各種各樣的文件系統(tǒng)，是因?yàn)樗橄罅艘粋€通用的文件系統(tǒng)模型，定義了通用文件系統(tǒng)都支持的、概念上的接口。新的文件系統(tǒng)只要支持并實(shí)現(xiàn)這些接口，并注冊到Linux內(nèi)核中，即可安裝和使用。
舉個例子，比如Linux寫一個文件：
int ret = write(fd, buf, len);
調(diào)用了write()系統(tǒng)調(diào)用，它的過程簡要如下：
- 首先，勾起VFS通用系統(tǒng)調(diào)用sys_write()處理。
- 接著，sys_write()根據(jù)fd找到所在的文件系統(tǒng)提供的寫操作函數(shù)，比如op_write()。
- 最后，調(diào)用op_write()實(shí)際的把數(shù)據(jù)寫入到文件中。
操作示意圖如下：
2. 虛擬文件系統(tǒng)組成部分
Linux為了實(shí)現(xiàn)這種VFS系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，主要抽象了四種對象類型：
- 超級塊對象：代表一個已安裝的文件系統(tǒng)。
- 索引節(jié)點(diǎn)對象(inode)：代表具體的文件。
- 目錄項(xiàng)對象：代表一個目錄項(xiàng)，是文件路徑的一個組成部分。
- 文件對象：代表進(jìn)程打開的文件。
每個對象都包含一組操作方法，用于操作相應(yīng)的文件系統(tǒng)。
備注：Linux將目錄當(dāng)做文件對象來處理，是另一種形式的文件，它里面包含了一個或多個目錄項(xiàng)。而目錄項(xiàng)是單獨(dú)抽象的對象，主要包括文件名和索引節(jié)點(diǎn)號。因?yàn)槟夸浭强梢詫訉忧短?，以形成文件路徑，而路徑中的每一部分，其?shí)就是目錄項(xiàng)。
接下來介紹一下各個對象的作用以及相關(guān)操作。
2.1 super_block
超級塊用于存儲文件系統(tǒng)的元信息，由super_block結(jié)構(gòu)體表示，定義在<linux/fs.h>中，元信息里面包含文件系統(tǒng)的基本屬性信息，比如有：
- 索引節(jié)點(diǎn)信息
- 掛載的標(biāo)志
- 操作方法 s_op
- 安裝權(quán)限
- 文件系統(tǒng)類型、大小、區(qū)塊數(shù)
- 等等等等
其中操作方法 s_op 對每個文件系統(tǒng)來說，是非常重要的，它指向該超級塊的操作函數(shù)表，包含一系列操作方法的實(shí)現(xiàn)，這些方法有：
- 分配inode
- 銷毀inode
- 讀、寫inode
- 文件同步
- 等等
當(dāng)VFS需要對超級塊進(jìn)行操作時(shí)，首先要在超級塊的操作方法 s_op 中，找到對應(yīng)的操作方法后再執(zhí)行。比如文件系統(tǒng)要寫自己的超級塊：
superblock->s_op->write_supper(sb);
創(chuàng)建文件系統(tǒng)時(shí)，其實(shí)就是往存儲介質(zhì)的特定位置，寫入超級塊信息；而卸載文件系統(tǒng)時(shí)，由VFS調(diào)用釋放超級塊。
Linux支持眾多不同的文件系統(tǒng)，file_system_type結(jié)構(gòu)體用于描述每種文件系統(tǒng)的功能和行為，包括：
- 名稱、類型等
- 超級塊對象鏈表
-- 等等
當(dāng)向內(nèi)核注冊新的文件系統(tǒng)時(shí)，其實(shí)是將file_system_type對象實(shí)例化，然后加入到Linux的根文件系統(tǒng)的目錄樹結(jié)構(gòu)上。
2.2 inode
索引節(jié)點(diǎn)對象包含Linux內(nèi)核在操作文件、目錄時(shí)，所需要的全部信息，這些信息由inode結(jié)構(gòu)體來描述，定義在<linux/fs.h>中，主要包含：
- 超級塊相關(guān)信息
- 目錄相關(guān)信息
- 文件大小、訪問時(shí)間、權(quán)限相關(guān)信息
- 引用計(jì)數(shù)
- 等等
一個索引節(jié)點(diǎn)inode代表文件系統(tǒng)中的一個文件，只有當(dāng)文件被訪問時(shí)，才在內(nèi)存中創(chuàng)建索引節(jié)點(diǎn)。與超級塊類似的是，索引節(jié)點(diǎn)對象也提供了許多操作接口，供VFS系統(tǒng)使用，這些接口包括：
- create(): 創(chuàng)建新的索引節(jié)點(diǎn)（創(chuàng)建新的文件）
- link(): 創(chuàng)建硬鏈接
- symlink(): 創(chuàng)建符號鏈接。
- mkdir(): 創(chuàng)建新的目錄。
2.3 dentry(目錄項(xiàng))
前面提到VFS把目錄當(dāng)做文件對待，比如/usr/bin/vim，usr、bin和vim都是文件，不過vim是一個普通文件，usr和bin都是目錄文件，都是由索引節(jié)點(diǎn)對象標(biāo)識。
由于VFS會經(jīng)常的執(zhí)行目錄相關(guān)的操作，比如切換到某個目錄、路徑名的查找等等，為了提高這個過程的效率，VFS引入了目錄項(xiàng)的概念。一個路徑的組成部分，不管是目錄還是普通文件，都是一個目錄項(xiàng)對象。/、usr、bin、vim都對應(yīng)一個目錄項(xiàng)對象。不過目錄項(xiàng)對象沒有對應(yīng)的磁盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是VFS在遍歷路徑的過程中，將它們逐個解析成目錄項(xiàng)對象。
目錄項(xiàng)由dentry結(jié)構(gòu)體標(biāo)識，定義在<linux/dcache.h>中，主要包含：
- 父目錄項(xiàng)對象地址
- 子目錄項(xiàng)鏈表
- 目錄關(guān)聯(lián)的索引節(jié)點(diǎn)對象
- 目錄項(xiàng)操作指針
目錄項(xiàng)有三種狀態(tài)：
- 被使用：該目錄項(xiàng)指向一個有效的索引節(jié)點(diǎn)，并有一個或多個使用者，不能被丟棄。
- 未被使用：也對應(yīng)一個有效的索引節(jié)點(diǎn)，但VFS還未使用，被保留在緩存中。如果要回收內(nèi)存的話，可以撤銷未使用的目錄項(xiàng)。
- 負(fù)狀態(tài)：沒有對應(yīng)有效的索引節(jié)點(diǎn)，因?yàn)樗饕?jié)點(diǎn)被刪除了，或者路徑不正確，但是目錄項(xiàng)仍被保留了。
將整個文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)解析成目錄項(xiàng)，是一件費(fèi)力的工作，為了節(jié)省VFS操作目錄項(xiàng)的成本，內(nèi)核會將目錄項(xiàng)緩存起來。
2.4 文件
文件對象是進(jìn)程打開的文件在內(nèi)存中的實(shí)例。Linux用戶程序可以通過open()系統(tǒng)調(diào)用來打開一個文件，通過close()系統(tǒng)調(diào)用來關(guān)閉一個文件。由于多個進(jìn)程可以同時(shí)打開和操作同一個文件，所以同一個文件，在內(nèi)存中也存在多個對應(yīng)的文件對象，但對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)和目錄項(xiàng)是唯一的。
文件對象由file結(jié)構(gòu)體表示，定義在<linux/fs.h>中，主要包含：
- 文件操作方法
- 文件對象的引用計(jì)數(shù)
- 文件指針的偏移
- 打開文件時(shí)的讀寫標(biāo)識
類似于目錄項(xiàng)，文件對象也沒有實(shí)際的磁盤數(shù)據(jù)，只有當(dāng)進(jìn)程打開文件時(shí)，才會在內(nèi)存中產(chǎn)生一個文件對象。
每個進(jìn)程都有自己打開的一組文件，由file_struct結(jié)構(gòu)體標(biāo)識，該結(jié)構(gòu)體由進(jìn)程描述符中的files字段指向。主要包括：
- fdt
- fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]
- 引用計(jì)數(shù)
fd_array數(shù)組指針指向已打開的文件對象，如果打開的文件對象個數(shù) > NR_OPEN_DEFAULT，內(nèi)核會分配一個新數(shù)組，并將 fdt 指向該數(shù)組。
除此之外，內(nèi)核還為所有打開文件維持一張文件表，包括：
- 文件狀態(tài)標(biāo)志
- 文件偏移量
關(guān)于多進(jìn)程打開同一文件以及文件共享更詳細(xì)的信息，可以閱讀《UNIX環(huán)境高級編程》第三章。
3. 總結(jié)
Linux支持了很多種類的文件系統(tǒng)，包含本地文件系統(tǒng)ext3、ext4到網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS、HDFS等，VFS系統(tǒng)屏蔽了不同文件系統(tǒng)的操作差異和實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，提供了統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)框架，也提供了標(biāo)準(zhǔn)的操作接口，這大大降低了操作文件和接入新文件系統(tǒng)的難度。
