Linux內(nèi)核學(xué)習(xí)：虛擬文件系統(tǒng)

Linux的成功因素之一是它具有與其它操作系統(tǒng)和諧共存的能力，其中代表作之一就是虛擬文件系統(tǒng)（VFS）。

VFS的思想是把不同類型文件的共同信息放入內(nèi)核，具體思路是通過(guò)Linux在用戶進(jìn)程（或C庫(kù)）和文件系統(tǒng)之間引入了一個(gè)抽象層，該抽象層稱之為虛擬文件系統(tǒng)（VFS）。

VFS的任務(wù)主要是提供一種操作文件、目錄以及其他對(duì)象的統(tǒng)一方法還有它必須能夠與各種方法給出的具體文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)達(dá)成妥協(xié)。

虛擬文件系統(tǒng)的類型

VFS的類型主要分三種：

• 基于磁盤(pán)的文件系統(tǒng)：是在非易失介質(zhì)上存儲(chǔ)文件的經(jīng)典方法，用以在多次會(huì)話之間保持文件的內(nèi)容。

• 特殊文件系統(tǒng)：在內(nèi)核中生成，是一種使用用戶應(yīng)用程序與用戶通訊的方法。它位于內(nèi)核軟件層，用來(lái)處理與Unix標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)相關(guān)的所有系統(tǒng)調(diào)用（Linux的 proc文件系統(tǒng)就是這一類的最佳示例）

• 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)：是基于磁盤(pán)文件系統(tǒng)和虛擬文件系統(tǒng)之間的折中，這些文件系統(tǒng)允許輕易訪問(wèn)屬于其它網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)的文件系統(tǒng)所包含的文件（常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)有：NFS、Coda、AFS、CIFS、NCP等）

通用文件模型

通用文件模型嚴(yán)格反映傳統(tǒng)Unix文件系統(tǒng)的文件模型，從本質(zhì)上,Liunx不能對(duì)一個(gè)特點(diǎn)的函數(shù)進(jìn)行硬編碼來(lái)執(zhí)行諸如read() 和 ioctl() 這類的操作，而是對(duì)每個(gè)操作都必須使用一個(gè)指針，指向要訪問(wèn)的具體文件系統(tǒng)的適當(dāng)函數(shù)。通過(guò)通用文件模型，VFS使得用戶可以直接使用open()、read()、write() 這樣的調(diào)用而無(wú)須考慮具體這樣的文件系統(tǒng)。

VFS采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路，使用了一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示通用文件對(duì)象，這些對(duì)象組成了Linux的通用文件模型。

1）超級(jí)快對(duì)象（superblock object）：存放已安裝文件系統(tǒng)有關(guān)的信息

superblock的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2）索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象(inode object)：存放具體文件的一般信息（內(nèi)核在操作文件或目錄時(shí)需要的全部信息）。一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)代表文件系統(tǒng)中的一個(gè)文件，但是索引節(jié)點(diǎn)僅當(dāng)文件被訪問(wèn)時(shí)，才在內(nèi)存中創(chuàng)建。

inode的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3）文件對(duì)象(file object)：它代表由進(jìn)程打開(kāi)的文件。這類信息僅當(dāng)進(jìn)程訪問(wèn)期間存在于內(nèi)核內(nèi)存中。文件對(duì)象（不是物理文件）由相應(yīng)的open()系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建，由close()系統(tǒng)調(diào)用撤銷。

file的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4）目錄項(xiàng)對(duì)象(dentry object)：不是指目錄，VFS把目錄作為一個(gè)文件看待，這里的目錄項(xiàng)對(duì)象指的是路徑的一個(gè)組成部分，與對(duì)應(yīng)文件進(jìn)行鏈接的有關(guān)信息。

dentry的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

VFS對(duì)象之間的關(guān)系如下：

進(jìn)程與VFS對(duì)象之間的交互如下：

目錄項(xiàng)目高速緩存（dcache）

為了最大限度地提高處理目錄項(xiàng)對(duì)象的效率，Linux使用目錄項(xiàng)高速緩存，它由2種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成：

• 一個(gè)處于正在使用、未使用、負(fù)狀態(tài)的目錄對(duì)象的集合：正在使用和未使用的目錄項(xiàng)對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)有效的索引節(jié)點(diǎn)，負(fù)狀態(tài)的目錄項(xiàng)對(duì)象沒(méi)有對(duì)應(yīng)的有效索引節(jié)點(diǎn)

• 一個(gè)散列表，從中能夠快速獲取與給定的文件名和目錄名對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)對(duì)象。

小結(jié)

VFS是一個(gè)膠水層，位于內(nèi)核的底層和用戶層之間。它提供了各種抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示文件和inode。而真實(shí)文件系統(tǒng)必須填充這些結(jié)構(gòu)，使得應(yīng)用程序無(wú)需考慮底層文件系統(tǒng)，總是可以使用同樣的接口訪問(wèn)和操作文件。

原文鏈接：https://lihaoquan.me/2019/2/16/linux-vfs.html

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