Linux 的虚拟文件系统（真正理解“一切皆文件”)

 1，引言

Linux 中允许众多不同的文件系统共存，如 ext2, ext3, vfat 等。通过使用同一套文件 I/O 系统 调用即可对 Linux 中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式;更进一步，对文件的 操作可以跨文件系统而执行。如图 1 所示，我们可以使用 cp 命令从 vfat 文件系统格式的硬盘拷贝数据到 ext3 文件系统格式的硬盘;而这样的操作涉及到两个不同的文件系统。

图 1. 跨文件系统的文件操作

“一切皆是文件”是 Unix/Linux 的基本哲学之一。不仅普通的文件，目录、字符设备、块设备、 套接字等在 Unix/Linux 中都是以文件被对待;它们虽然类型不同，但是对其提供的却是同一套操作界面。

图 2. 一切皆是文件

而虚拟文件系统正是实现上述两点 Linux 特性的关键所在。虚拟文件系统(Virtual File System, 简称 VFS)， 是 Linux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口;同时，它也提供了内核中的一个 抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖 VFS 共存，而且也依靠 VFS 协同工作。

为了能够支持各种实际文件系统，VFS 定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据 结构;同时实际文件系统也提供 VFS 所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式 上与VFS的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被 Linux 支持，就必须提供一个符合VFS标准 的接口，才能与 VFS 协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在VFS 层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。图3显示了VFS在内核中与实际的文件系统的协同关系。

图3. VFS在内核中与其他的内核模块的协同关系

我们已经知道，正是由于在内核中引入了VFS，跨文件系统的文件操作才能实现，“一切皆是文件” 的口号才能承诺。而为什么引入了VFS，就能实现这两个特性呢?在接下来，我们将以这样的一个思路来切入

文章的正题：我们将先简要介绍下用以描述VFS模型的一些数据结构，总结出这些数据结构相互间的关系;然后 选择两个具有代表性的文件I/O操作sys_open()和sys_read()来详细说明内核是如何借助VFS和具体的文件系统打 交道以实现跨文件系统的文件操作和承诺“一切皆是文件”的口号。

2 VFS数据结构

2.1 一些基本概念

从本质上讲，文件系统是特殊的数据分层存储结构，它包含文件、目录和相关的控制信息。为了描述 这个结构，Linux引入了一些基本概念:

文件 一组在逻辑上具有完整意义的信息项的系列。在Linux中，除了普通文件，其他诸如目录、设备、套接字等 也以文件被对待。总之，“一切皆文件”。

目录 目录好比一个文件夹，用来容纳相关文件。因为目录可以包含子目录，所以目录是可以层层嵌套，形成 文件路径。在Linux中，目录也是以一种特殊文件被对待的，所以用于文件的操作同样也可以用在目录上。

目录项 在一个文件路径中，路径中的每一部分都被称为目录项;如路径/home/source/helloworld.c中，目录 /, home, source和文件 helloworld.c都是一个目录项。

索引节点 用于存储文件的元数据的一个数据结构。文件的元数据，也就是文件的相关信息，和文件本身是两个不同 的概念。它包含的是诸如文件的大小、拥有者、创建时间、磁盘位置等和文件相关的信息。

超级块 用于存储文件系统的控制信息的数据结构。描述文件系统的状态、文件系统类型、大小、区块数、索引节点数等，存放于磁盘的特定扇区中。

如上的几个概念在磁盘中的位置关系如图4所示。

图4. 磁盘与文件系统

关于文件系统的三个易混淆的概念：

创建 以某种方式格式化磁盘的过程就是在其之上建立一个文件系统的过程。创建文现系统时，会在磁盘的特定位置写入 关于该文件系统的控制信息。

注册 向内核报到，声明自己能被内核支持。一般在编译内核的时侯注册;也可以加载模块的方式手动注册。注册过程实 际上是将表示各实际文件系统的数据结构struct file_system_type 实例化。

安装 也就是我们熟悉的mount操作，将文件系统加入到Linux的根文件系统的目录树结构上;这样文件系统才能被访问。

2.2 VFS数据结构

VFS依靠四个主要的数据结构和一些辅助的数据结构来描述其结构信息，这些数据结构表现得就像是对象; 每个主要对象中都包含由操作函数表构成的操作对象，这些操作对象描述了内核针对这几个主要的对象可以进行的操作。

2.2.1 超级块对象

存储一个已安装的文件系统的控制信息，代表一个已安装的文件系统;每次一个实际的文件系统被安装时， 内核会从磁盘的特定位置读取一些控制信息来填充内存中的超级块对象。一个安装实例和一个超级块对象一一对应。 超级块通过其结构中的一个域s_type记录它所属的文件系统类型。

根据第三部分追踪源代码的需要，以下是对该超级块结构的部分相关成员域的描述，(如下同)：

（编辑：新余站长网）

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