1. 虚拟文件系统的作用

虚拟文件系统（VFS）是linux内核和具体I/O设备之间的封装的一层共通访问接口，通过这层接口，linux内核可以以同一的方式访问各种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，并不需要任何硬件的支持。主要有以下好处。

  • 简化了应用程序的开发：应用通过统一的系统调用访问各种存储介质
  • 简化了新文件系统加入内核的过程：新文件系统只要实现VFS的各个接口即可，不需要修改内核部分

2. 虚拟文件系统的4个主要对象

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，但是对于那些基于内存的文件系统(比如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>

  1. /* 
  2.  * 超级块结构中定义的字段非常多，
  3.  * 这里只介绍一些重要的属性
  4.  */
  5. struct super_block {
  6.     struct list_head    s_list;               /* 指向所有超级块的链表 */
  7.     const struct super_operations    *s_op; /* 超级块方法 */
  8.     struct dentry        *s_root;           /* 目录挂载点 */
  9.     struct mutex        s_lock;            /* 超级块信号量 */
  10.     int            s_count;                   /* 超级块引用计数 */
  12.     struct list_head    s_inodes;           /* inode链表 */
  13.     struct mtd_info        *s_mtd;            /* 存储磁盘信息 */
  14.     fmode_t            s_mode;                /* 安装权限 */
  15. };
  17. /*
  18.  * 其中的 s_op 中定义了超级块的操作方法
  19.  * 这里只介绍一些相对重要的函数
  20.  */
  21. struct super_operations {
  22.     struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); /* 创建和初始化一个索引节点对象 */
  23.     void (*destroy_inode)(struct inode *);                /* 释放给定的索引节点 */
  25.     void (*dirty_inode) (struct inode *);                 /* VFS在索引节点被修改时会调用这个函数 */
  26.     int (*write_inode) (struct inode *, int);             /* 将索引节点写入磁盘，wait表示写操作是否需要同步 */
  27.     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 */
  28.     void (*delete_inode) (struct inode *);                /* 从磁盘上删除指定的索引节点 */
  29.     void (*put_super) (struct super_block *);             /* 卸载文件系统时由VFS调用，用来释放超级块 */
  30.     void (*write_super) (struct super_block *);           /* 用给定的超级块更新磁盘上的超级块 */
  31.     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 */
  32.     int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);    /* VFS调用该函数获取文件系统状态 */
  33.     int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *); /* 指定新的安装选项重新安装文件系统时，VFS会调用该函数 */
  34.     void (*clear_inode) (struct inode *);                 /* VFS调用该函数释放索引节点，并清空包含相关数据的所有页面 */
  35.     void (*umount_begin) (struct super_block *);          /* VFS调用该函数中断安装操作 */
  36. };

2.2 索引节点inode

索引节点是VFS中的核心概念，它包含内核在操作文件或目录时需要的全部信息。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认为的普通的文件，还包括目录，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，当被应用程序访问到时才会在内存中创建。索引节点定义在：<linux/fs.h>

  1. /* 
  2.  * 索引节点结构中定义的字段非常多，
  3.  * 这里只介绍一些重要的属性
  4.  */
  5. struct inode {
  6.     struct hlist_node    i_hash;     /* 散列表，用于快速查找inode */
  7.     struct list_head    i_list;        /* 索引节点链表 */
  8.     struct list_head    i_sb_list;  /* 超级块链表超级块  */
  9.     struct list_head    i_dentry;   /* 目录项链表 */
  10.     unsigned long        i_ino;      /* 节点号 */
  11.     atomic_t        i_count;        /* 引用计数 */
  12.     unsigned int        i_nlink;    /* 硬链接数 */
  13.     uid_t            i_uid;          /* 使用者id */
  14.     gid_t            i_gid;          /* 使用组id */
  15.     struct timespec        i_atime;    /* 最后访问时间 */
  16.     struct timespec        i_mtime;    /* 最后修改时间 */
  17.     struct timespec        i_ctime;    /* 最后改变时间 */
  18.     const struct inode_operations    *i_op;  /* 索引节点操作函数 */
  19.     const struct file_operations    *i_fop;    /* 缺省的索引节点操作 */
  20.     struct super_block    *i_sb;              /* 相关的超级块 */
  21.     struct address_space    *i_mapping;     /* 相关的地址映射 */
  22.     struct address_space    i_data;         /* 设备地址映射 */
  23.     unsigned int        i_flags;            /* 文件系统标志 */
  24.     void            *i_private;             /* fs 私有指针 */
  25. };
  27. /*
  28.  * 其中的 i_op 中定义了索引节点的操作方法
  29.  * 这里只介绍一些相对重要的函数
  30.  */
  31. struct inode_operations {
  32.     /* 为dentry对象创造一个新的索引节点 */
  33.     int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
  34.     /* 在特定文件夹中寻找索引节点，该索引节点要对应于dentry中给出的文件名 */
  35.     struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
  36.     /* 创建硬链接 */
  37.     int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
  38.     /* 从一个符号链接查找它指向的索引节点 */
  39.     void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
  40.     /* 在 follow_link调用之后，该函数由VFS调用进行清除工作 */
  41.     void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *);
  42.     /* 该函数由VFS调用，用于修改文件的大小 */
  43.     void (*truncate) (struct inode *);
  44. };

2.3 目录项

和超级块和索引节点不同，目录项并不是实际存在于磁盘上的。在使用的时候在内存中创建目录项对象，其实通过索引节点已经可以定位到指定的文件，但是索引节点对象的属性非常多，在查找，比较文件时，直接用索引节点效率不高，所以引入了目录项的概念。
路径中的每个部分都是一个目录项，比如路径： /mnt/cdrom/foo/bar 其中包含5个目录项，/ mnt cdrom foo bar。每个目录项对象都有3种状态：被使用，未使用和负状态

  • 被使用：对应一个有效的索引节点，并且该对象由一个或多个使用者
  • 未使用：对应一个有效的索引节点，但是VFS当前并没有使用这个目录项
  • 负状态：没有对应的有效索引节点（可能索引节点被删除或者路径不存在了）

目录项的目的就是提高文件查找，比较的效率，所以访问过的目录项都会缓存在slab中。slab中缓存的名称一般就是 dentry，可以通过如下命令查看：

  1. [wangyubin@localhost kernel]$ sudo cat /proc/slabinfo | grep dentry
  2. dentry            212545 212625    192   21    1 : tunables    0    0    0 : slabdata  10125  10125      0

目录项定义在：<linux/dcache.h>

  1. /* 目录项对象结构 */
  2. struct dentry {
  3.     atomic_t d_count;       /* 使用计数 */
  4.     unsigned int d_flags;   /* 目录项标识 */
  5.     spinlock_t d_lock;        /* 单目录项锁 */
  6.     int d_mounted;          /* 是否登录点的目录项 */
  7.     struct inode *d_inode;    /* 相关联的索引节点 */
  8.     struct hlist_node d_hash;    /* 散列表 */
  9.     struct dentry *d_parent;    /* 父目录的目录项对象 */
  10.     struct qstr d_name;         /* 目录项名称 */
  11.     struct list_head d_lru;        /* 未使用的链表 */
  12.     /*
  13.      * d_child and d_rcu can share memory
  14.      */
  15.     union {
  16.         struct list_head d_child;    /* child of parent list */
  17.          struct rcu_head d_rcu;
  18.     } d_u;
  19.     struct list_head d_subdirs;    /* 子目录链表 */
  20.     struct list_head d_alias;    /* 索引节点别名链表 */
  21.     unsigned long d_time;        /* 重置时间 */
  22.     const struct dentry_operations *d_op; /* 目录项操作相关函数 */
  23.     struct super_block *d_sb;    /* 文件的超级块 */
  24.     void *d_fsdata;            /* 文件系统特有数据 */
  26.     unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN];    /* 短文件名 */
  27. };
  29. /* 目录项相关操作函数 */
  30. struct dentry_operations {
  31.     /* 该函数判断目录项对象是否有效。VFS准备从dcache中使用一个目录项时会调用这个函数 */
  32.     int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
  33.     /* 为目录项对象生成hash值 */
  34.     int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
  35.     /* 比较 qstr 类型的2个文件名 */
  36.     int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
  37.     /* 当目录项对象的 d_count 为0时，VFS调用这个函数 */
  38.     int (*d_delete)(struct dentry *);
  39.     /* 当目录项对象将要被释放时，VFS调用该函数 */
  40.     void (*d_release)(struct dentry *);
  41.     /* 当目录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 */
  42.     void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
  43.     char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
  44. };

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目录项对象（目录项反过来指向一个索引节点）。其实只有目录项对象才表示一个已打开的实际文件，虽然一个文件对应的文件对象不是唯一的，但其对应的索引节点和目录项对象却是唯一的。文件对象的定义在: <linux/fs.h>

  1. /* 
  2.  * 文件对象结构中定义的字段非常多，
  3.  * 这里只介绍一些重要的属性
  4.  */
  5. struct file {
  6.     union {
  7.         struct list_head    fu_list;    /* 文件对象链表 */
  8.         struct rcu_head     fu_rcuhead; /* 释放之后的RCU链表 */
  9.     } f_u;
  10.     struct path        f_path;             /* 包含的目录项 */
  11.     const struct file_operations    *f_op; /* 文件操作函数 */
  12.     atomic_long_t        f_count;        /* 文件对象引用计数 */
  13. };
  15. /*
  16.  * 其中的 f_op 中定义了文件对象的操作方法
  17.  * 这里只介绍一些相对重要的函数
  18.  */
  19. struct file_operations {
  20.     /* 用于更新偏移量指针,由系统调用lleek()调用它 */
  21.     loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
  22.     /* 由系统调用read()调用它 */
  23.     ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
  24.     /* 由系统调用write()调用它 */
  25.     ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  26.     /* 由系统调用 aio_read() 调用它 */
  27.     ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
  28.     /* 由系统调用 aio_write() 调用它 */
  29.     ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
  30.     /* 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 */
  31.     int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
  32.     /* 创建一个新的文件对象,并将它和相应的索引节点对象关联起来 */
  33.     int (*open) (struct inode *, struct file *);
  34.     /* 当已打开文件的引用计数减少时,VFS调用该函数 */
  35.     int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
  36. };

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,下面用图来展示这4个对象的和VFS之间的关系。

1559190285459.png
1559190314902.png

3. 文件系统相关的数据结构

除了上面4个主要的对象之外，VFS中还有2个专门针对文件系统的2个对象:

  • struct file_system_type: 用来描述文件系统的类型（比如ext3,ntfs等等），位于：<linux/fs.h>
  • struct vfsmount: 描述一个安装文件系统的实例 , <linux/mount.h>
  1. struct file_system_type {
  2.     const char *name;   /* 文件系统名称 */
  3.     int fs_flags;       /* 文件系统类型标志 */
  4.     /* 从磁盘中读取超级块,并且在文件系统被安装时,在内存中组装超级块对象 */
  5.     int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
  6.                const char *, void *, struct vfsmount *);
  7.     /* 终止访问超级块 */
  8.     void (*kill_sb) (struct super_block *);
  9.     struct module *owner;           /* 文件系统模块 */
  10.     struct file_system_type * next; /* 链表中下一个文件系统类型 */
  11.     struct list_head fs_supers;     /* 超级块对象链表 */
  13.     /* 下面都是运行时的锁 */
  14.     struct lock_class_key s_lock_key;
  15.     struct lock_class_key s_umount_key;
  17.     struct lock_class_key i_lock_key;
  18.     struct lock_class_key i_mutex_key;
  19.     struct lock_class_key i_mutex_dir_key;
  20.     struct lock_class_key i_alloc_sem_key;
  21. };

每种文件系统,不管由多少个实例安装到系统中,还是根本没有安装到系统中,都只有一个 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:

  1. struct vfsmount {
  2.     struct list_head mnt_hash;      /* 散列表 */
  3.     struct vfsmount *mnt_parent;    /* 父文件系统，也就是要挂载到哪个文件系统 */
  4.     struct dentry *mnt_mountpoint;    /* 安装点的目录项 */
  5.     struct dentry *mnt_root;        /* 该文件系统的根目录项 */
  6.     struct super_block *mnt_sb;        /* 该文件系统的超级块 */
  7.     struct list_head mnt_mounts;    /* 子文件系统链表 */
  8.     struct list_head mnt_child;        /* 子文件系统链表 */
  9.     int mnt_flags;                  /* 安装标志 */
  10.     /* 4 bytes hole on 64bits arches */
  11.     const char *mnt_devname;        /* 设备文件名 e.g. /dev/dsk/hda1 */
  12.     struct list_head mnt_list;      /* 描述符链表 */
  13.     struct list_head mnt_expire;    /* 到期链表的入口 */
  14.     struct list_head mnt_share;        /* 共享安装链表的入口 */
  15.     struct list_head mnt_slave_list;/* 从安装链表 */
  16.     struct list_head mnt_slave;        /* 从安装链表的入口 */
  17.     struct vfsmount *mnt_master;    /* 从安装链表的主人 */
  18.     struct mnt_namespace *mnt_ns;    /* 相关的命名空间 */
  19.     int mnt_id;            /* 安装标识符 */
  20.     int mnt_group_id;        /* 组标识符 */
  21.     /*
  22.      * We put mnt_count & mnt_expiry_mark at the end of struct vfsmount
  23.      * to let these frequently modified fields in a separate cache line
  24.      * (so that reads of mnt_flags wont ping-pong on SMP machines)
  25.      */
  26.     atomic_t mnt_count;         /* 使用计数 */
  27.     int mnt_expiry_mark;        /* 如果标记为到期，则为 True */
  28.     int mnt_pinned;             /* "钉住"进程计数 */
  29.     int mnt_ghosts;             /* "镜像"引用计数 */
  30. #ifdef CONFIG_SMP
  31.     int *mnt_writers;           /* 写者引用计数 */
  32. #else
  33.     int mnt_writers;            /* 写者引用计数 */
  34. #endif
  35. };

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，所以结构体中包含的属性非常多。而从进程的角度来看的话，大多数时候并不需要那么多的属性，所有VFS通过以下3个结构体和进程紧密联系在一起。

  • struct files_struct ：由进程描述符中的 files 目录项指向，所有与单个进程相关的信息(比如打开的文件和文件描述符)都包含在其中。
  • struct fs_struct ：由进程描述符中的 fs 域指向，包含文件系统和进程相关的信息。
  • struct nsproxy ：由进程描述符中的 mmt_namespace 域指向。

struct filesstruct 位于：_

  1. struct files_struct {
  2.     atomic_t count;      /* 使用计数 */
  3.     struct fdtable *fdt; /* 指向其他fd表的指针 */
  4.     struct fdtable fdtab;/* 基 fd 表 */
  5.     spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp; /* 单个文件的锁 */
  6.     int next_fd;                                       /* 缓存下一个可用的fd */
  7.     struct embedded_fd_set close_on_exec_init;         /* exec()时关闭的文件描述符链表 */
  8.     struct embedded_fd_set open_fds_init;              /* 打开的文件描述符链表 */
  9.     struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];           /* 缺省的文件对象数组 */
  10. };

struct fsstruct 位于：_

  1. struct fs_struct {
  2.     int users;               /* 用户数目 */
  3.     rwlock_t lock;           /* 保护结构体的读写锁 */
  4.     int umask;               /* 掩码 */
  5.     int in_exec;             /* 当前正在执行的文件 */
  6.     struct path root, pwd;   /* 根目录路径和当前工作目录路径 */
  7. };

以下是 struct taskstruct 结构体中关于文件系统的3个属性。struct task_struct 的定义位于：_

  1. /* filesystem information */
  2.     struct fs_struct *fs;
  3. /* open file information */
  4.     struct files_struct *files;
  5. /* namespaces */
  6.     struct nsproxy *nsproxy;