虛擬文件系統(tǒng)（VFS）

在我看來， “虛擬”二字主要有兩層含義：

1， 在同一個目錄結(jié)構(gòu)中， 可以掛載著若干種不同的文件系統(tǒng)。 VFS隱藏了它們的實現(xiàn)細(xì)節(jié)， 為使用者提供統(tǒng)一的接口;

2， 目錄結(jié)構(gòu)本身并不是絕對的， 每個進(jìn)程可能會看到不一樣的目錄結(jié)構(gòu)。 目錄結(jié)構(gòu)是由“地址空間（namespace）”來描述的， 不同的進(jìn)程可能擁有不同的namespace， 不同的namespace可能有著不同的目錄結(jié)構(gòu)（因為它們可能掛載了不同的文件系統(tǒng)）。

操作已打開的文件

VFS的使用者是進(jìn)程（用戶訪問文件系統(tǒng)總是需要啟動進(jìn)程）。 描述進(jìn)程的task_struct結(jié)構(gòu)中files指針指向了一個files_struct結(jié)構(gòu)， 后者描述了進(jìn)程已打開的文件集合。

files_struct結(jié)構(gòu)維護(hù)了一個已打開文件所對應(yīng)的file結(jié)構(gòu)的指針數(shù)組， 數(shù)組下標(biāo)被用作用戶程序操作已打開文件的句柄（通常稱作fd）。 files_struct還維護(hù)著已使用的fd位圖， 以便在需要打開文件時， 為其分配一個未使用的fd.

file結(jié)構(gòu)是一個已打開文件實例。 用戶程序通過fd操作一個已打開文件的過程比較簡單， 由fd索引到對應(yīng)的file結(jié)構(gòu)， 再執(zhí)行file結(jié)構(gòu)的f_op中對應(yīng)的操作即可（比如read， write）。

不同的file結(jié)構(gòu)可能擁有不同的f_op， 因為它們的文件類型不同（比如， 普通文件， socket， fifo， 等等）。

而這個對應(yīng)的f_op是在文件打開時被賦值的， 對于已打開的文件， 只管使用f_op中的函數(shù)即可， 不用再判斷到底這個文件是什么類型。 而至于具體的f_op中的函數(shù)是如何實現(xiàn)的， 本文不作描述（實際上這一部分也是很復(fù)雜的， 參見《linux內(nèi)核文件讀寫淺析》）。

用戶程序操作一個已打開的文件也未必就會調(diào)用到f_op中的函數(shù)， 有些操作是只涉及file結(jié)構(gòu)本身的。 比如file結(jié)構(gòu)中維護(hù)了文件的當(dāng)前位置（f_pos）， lseek系統(tǒng)調(diào)用只負(fù)責(zé)移動這個pos值。

類似f_pos， f_mode（文件的訪問模式）， 等這樣的屬性， 是存放在file結(jié)構(gòu)中的， 這意味著這些屬性都是跟一個已打開文件的實例相關(guān)的。 一個文件可能會打開多個實例（在一個或多個進(jìn)程中）， 每個實例中的這些值都有可能不同。

比如， 兩個進(jìn)程同時打開同一個文件， 進(jìn)行讀操作。 由于兩個實例（file結(jié)構(gòu)）對應(yīng)的f_pos不同， 兩個讀操作互不影響。

而有時候多個進(jìn)程也會共享同一個打開文件實例， 當(dāng)使用clone系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建子進(jìn)程時， 如果設(shè)置了CLONE_FILES標(biāo)志， 則父子進(jìn)程將共享files_struct結(jié)構(gòu)， 從而共享全部已打開的文件實例。 典型的例子是多線程。

打開文件

相比于對已打開文件的操作的簡單， 打開一個文件的過程卻是很復(fù)雜的。 從上面的圖中也可以看出， 操作已打開的文件只占了很少的篇幅， 而其他的內(nèi)容則都與打開文件有關(guān)。

要打開一個文件， 首先需要文件路徑， 如“dir0/dir1/file”。 這個路徑被‘/’拆分成多級， 每一級都是一個文件（目錄也是文件， 如dir0， dir1）。

在尋找這個文件路徑的一開始， 我們需要一個起點。 如果文件路徑以‘/’開頭， 則以根目錄為起點; 否則以當(dāng)前路徑為起點。

這兩個可能的起點都保存在進(jìn)程的task_struct所對應(yīng)的fs_struct結(jié)構(gòu)中。 每個文件在目錄結(jié)構(gòu)中由目錄項（dentry）結(jié)構(gòu)來表示， “起點”本身也是一個dentry結(jié)構(gòu)。

我們在shell中執(zhí)行cd命令時， 實際上就是改變了fs_struct結(jié)構(gòu)中代表當(dāng)前路徑的那個dentry.

進(jìn)程也可以通過chroot系統(tǒng)調(diào)用來改變fs_struct結(jié)構(gòu)中代表根路徑的那個dentry. 這樣一來， 這個dentry之上的那些路徑對該進(jìn)程將不可見。

作為文件的索引結(jié)構(gòu)， 若干dentry描繪了一個樹型的目錄結(jié)構(gòu)， 這就是用戶所看到的目錄結(jié)構(gòu)。 （我們暫且將其稱為dentry樹。）

每個dentry指向一個索引節(jié)點（inode）結(jié)構(gòu)， 后者才是實際描述這個文件信息的結(jié)構(gòu)。 而多個dentry可以指向同一個inode， 這樣就實現(xiàn)了link.

dentry中實現(xiàn)了一組方法（d_op）， 主要是用于匹配子節(jié)點。 dentry實現(xiàn)了一個散列表， 以便于查找子節(jié)點。

d_op可能隨文件系統(tǒng)類型的不同而不同， 比如， 散列方法可能不同， 節(jié)點的匹配方法也可能不同（有的文件系統(tǒng)文件名大小寫敏感， 有的則不）。

尋找文件路徑的過程就是在這個dentry樹中不斷查找子dentry， 直到找到路徑中的最后一個dentry的過程。

雖然dentry樹描繪了文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)， 但是， 這些dentry結(jié)構(gòu)并不是常駐內(nèi)存的。 整個目錄結(jié)構(gòu)可能會非常大， 以致于內(nèi)存根本裝不下。

初始狀態(tài)下， 系統(tǒng)中只有代表根目錄的dentry和它所指向的inode（這是在根文件系統(tǒng)掛載時生成的， 見下文）。 此時要打開一個文件， 文件路徑中對應(yīng)的節(jié)點都是不存在的， 根目錄的dentry無法找到需要的子節(jié)點（它現(xiàn)在還沒有子節(jié)點）。 這時候就要通過inode-》i_op中的lookup方法來尋找需要的inode的子節(jié)點（這往往是通過特定的文件系統(tǒng)類型定義的方法， 從文件系統(tǒng)存儲介質(zhì)中去查找的。參見《linux文件系統(tǒng)實現(xiàn)淺析》）， 找到以后（此時inode已被載入內(nèi)存）， 再創(chuàng)建一個dentry與之關(guān)聯(lián)上。

由這一過程可見， 其實是先有inode再有dentry. inode本身是存在于文件系統(tǒng)的存儲介質(zhì)上的， 而dentry則是在內(nèi)存中生成的。 dentry的存在加速了對inode的查詢。

既然整個目錄結(jié)構(gòu)可能不能全部載入內(nèi)存， 在內(nèi)存中生成的dentry將在無人使用時被釋放。 d_count字段記錄了dentry的引用計數(shù)， 引用為0時， dentry將被釋放。

這里所謂的釋放dentry并不是直接銷毀并回收， 而是將dentry放入一個“最近最少使用（LRU）”隊列（與對應(yīng)的超級塊相關(guān)聯(lián)）。 當(dāng)隊列過大， 或系統(tǒng)內(nèi)存緊缺時， 最近最少使用的一些dentry才真正被釋放。

這個LRU隊列就像是一個緩存池， 加速了對重復(fù)的路徑的訪問。 而當(dāng)dentry被真正釋放時， 它所對應(yīng)的inode將被減引用。 如果引用為0， inode也被釋放。

當(dāng)尋找一個文件路徑時， 對于其中經(jīng)歷的每一個節(jié)點， 有三種情況：

1， 對應(yīng)的dentry引用計數(shù)尚未減為0， 它們還在dentry樹中， 直接使用即可;

2， 如果對應(yīng)的dentry不在dentry樹中， 則試圖從LRU隊列去尋找。 LRU隊列中的dentry同時被散列到一個散列表中， 以便查找。 查找到需要的dentry后， 這個dentry被從LRU隊列中拿出來， 重新添加到dentry樹中;

3， 如果對應(yīng)的dentry在LRU隊列中也找不到， 則只好去文件系統(tǒng)的存儲介質(zhì)里面查找inode了。 找到以后dentry被創(chuàng)建， 并添加以dentry樹中;

文件系統(tǒng)掛載

VFS允許多種不同的文件系統(tǒng)掛載在同一個目錄結(jié)構(gòu)中， 文件系統(tǒng)掛載的路徑稱為掛載點。

如， 磁盤有兩個分區(qū)A和B， A作為根文件系統(tǒng)被掛載在“/”路徑下， 而B作為A的子文件系統(tǒng)， 掛載在“/mnt/B/”下。

要完成這一掛載， A文件系統(tǒng)中必須有“/mnt/”這個目錄。 而不管A中有沒有“/mnt/B”， 都會生成一個dentry與之對應(yīng)， 但是這個dentry并不對應(yīng)A中的“/mnt/B”所對應(yīng)的inode（即使這個inode存在）。 這個dentry中的d_mounted標(biāo)記被置位， 表示這是一個掛載點。

如果在尋找文件路徑的過程中遇到這樣的一個掛載點， 則代表當(dāng)前路徑的指針將從當(dāng)前dentry切換到掛載的文件系統(tǒng)的“/”所對應(yīng)的dentry. 即是說， 訪問A分區(qū)中的“/mnt/B”這個路徑時， 實際訪問到的是B分區(qū)中的“/”路徑。

文件系統(tǒng)使用vfsmount結(jié)構(gòu)來描述， 多個掛載的文件系統(tǒng)也被組織成樹型結(jié)構(gòu)。

vfsmount結(jié)構(gòu)中有兩個指向dentry的指針， mnt_mountpoint指向其父文件系統(tǒng)的掛載點dentry（例如A分區(qū)中的“/mnt/B”）， 而mnt_root指向本文件系統(tǒng)的根路徑dentry（例如B分區(qū)中的“/”）。 通過這兩個指針， 可以完成上面提到的當(dāng)前路徑的切換。

于是， 尋找文件路徑的過程中， 除了要記錄當(dāng)前dentry， 還要記錄當(dāng)前vfsmount. 如果當(dāng)前dentry是一個掛載點， 則通過當(dāng)前vfsmount， 找到其兒子中掛載點為當(dāng)前dentry的子vfsmount， 然后得到這個子vfsmount的mnt_root.

可能會有多個vfsmount都掛載在同一個dentry上， 這時候， 只有其中一個vfsmount會被選中， 而其他vfsmount將被隱藏。 直到被選中的那個vfsmount被卸載后， 被隱藏的vfsmount才可能被選中。 利用這個特點， 我們可以實現(xiàn)目錄的隱藏。 比如/home/kouu/secret下保存著一些不希望別人看到的文件， 可以在這個目錄上mount一下tmpfs， 以達(dá)到隱藏的目的。

子文件系統(tǒng)總是被掛載在父文件系統(tǒng)的某個dentry上， 而根文件系統(tǒng)則是由mnt_namespace對象來引用的。 不同的mnt_namespace可以引用不同的根文件系統(tǒng)， 組織不同的文件系統(tǒng)掛載樹， 形成不同的目錄結(jié)構(gòu)。

一般而言， 新創(chuàng)建的進(jìn)程總是與其父進(jìn)程共用mnt_namespace. 而所有進(jìn)程都是1號進(jìn)程（init）的子孫進(jìn)程， 則一般情況下所有進(jìn)程都使用相同的mnt_namespace， 都生活在相同的目錄結(jié)構(gòu)中。

但是在通過clone系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建新進(jìn)程時， 可以指定CLONE_NEWNS標(biāo)志， 為子進(jìn)程創(chuàng)建新的名字空間（其中就包含了mnt_namespace， 此外名字空間還有其他內(nèi)容）。

前面只是說某個設(shè)備被掛載， 其實掛載文件系統(tǒng)除了要添加相應(yīng)的存儲介質(zhì)的設(shè)備文件， 還要在內(nèi)核中注冊文件系統(tǒng)類型（對應(yīng)file_system_type結(jié)構(gòu)）（如ext2， ext3， tmpfs）。 一個文件系統(tǒng)總是包含設(shè)備和類型兩個要素的。

已注冊file_system_type被存儲在鏈表結(jié)構(gòu)中， 通過它們注冊的名字（比如ext3）來找到它們。 它們是文件數(shù)據(jù)的解釋器， 解釋設(shè)備文件所對應(yīng)的物理存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)。

每個文件系統(tǒng)都有一個超級塊（對應(yīng)super_block結(jié)構(gòu)）， 這個超級塊通過file_system_type結(jié)構(gòu)的get_sb方法從塊設(shè)備中讀出來。

而一個文件系統(tǒng)可以被掛載多次， 形成多個vfsmount結(jié)構(gòu)。 它們都對應(yīng)同一個super_block. 實際上只有文件系統(tǒng)第一次被掛載時， 才會去讀它的super_block. 否則這個super_block已經(jīng)是存在的， 直接引用即可。

在get_sb的過程中， 這個文件系統(tǒng)的根路徑所對應(yīng)的inode也會從存儲介質(zhì)中載入， 并創(chuàng)建對應(yīng)的dentry. super_block-》s_root就指向根路徑的dentry.

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)總結(jié)

最后， 我們對上面的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其函數(shù)指針集合進(jìn)行一下整理， 這些東西實在容易讓人找不著北。

file_system_type

含義： 文件系統(tǒng)類型， 如ext2， ext3， 等等

創(chuàng)建： 內(nèi)核啟動或內(nèi)核模塊加載時， 為每一種文件系統(tǒng)類型創(chuàng)建一個對應(yīng)的file_system_type結(jié)構(gòu)

函數(shù)： get_sb， 獲取超級塊的方法。 在注冊文件系統(tǒng)類型時提供

super_block

含義： 超級塊， 對應(yīng)一個存儲文件的設(shè)備

創(chuàng)建： 文件系統(tǒng)掛載時， 通過對應(yīng)的file_system_type-》get_sb從設(shè)備中讀取， 并初始化（可見， super_block結(jié)構(gòu)中一部分信息是保存在設(shè)備中的， 一部分則是在內(nèi)在中初始化的）

函數(shù)： s_op， 超級塊的函數(shù)集， 主要包含對索引節(jié)點和文件系統(tǒng)實例的操作。 file_system_type-》get_sb從設(shè)備中讀取超級塊后， 用file_system_type對應(yīng)的特定函數(shù)集進(jìn)行初始化

inode

含義： 索引節(jié)點， 對應(yīng)設(shè)備上存放的一個文件

創(chuàng)建： 1）在超級塊被載入時， 作為根的inode一并被載入; 2）通過mknod調(diào)用創(chuàng)新新的索引節(jié)點; 3）在尋找文件路徑的過程中， 從設(shè)備中讀取， 并初始化（跟super_block一樣， inode結(jié)構(gòu)中一部分信息是保存在設(shè)備中的， 一部分則是在內(nèi)在中初始化的）

函數(shù)： i_op， 索引節(jié)點函數(shù)集， 主要包含對子inode的創(chuàng)建， 刪除等操作。 f_op， 文件函數(shù)集， 主要包含對本inode的讀寫等操作。 在inode被創(chuàng)建后， 1）如果是特殊文件， 則根據(jù)對應(yīng)文件的類型（包括塊設(shè)備， 字符設(shè)備， fifo， 等等）賦予特定的函數(shù)集（并不直接與設(shè)備和文件系統(tǒng)類型相關(guān)）; 2）否則， 對應(yīng)的文件系統(tǒng)類型會提供相應(yīng)的函數(shù)集， 并且目錄和文件函數(shù)集很可能不同

dentry

含義： 目錄項， 尋找文件路徑的過程中使用的樹型結(jié)構(gòu)， 與inode關(guān)聯(lián)

創(chuàng)建： inode被創(chuàng)建后， dentry就要被創(chuàng)建并初始化

函數(shù)： d_op， 目錄項函數(shù)集， 主要包含對子dentry的查詢操作。 由文件系統(tǒng)類型確定

file

含義： 打開文件的實例

創(chuàng)建： 在open調(diào)用時創(chuàng)建， 并與一個inode對應(yīng)

函數(shù)： f_op， 文件讀寫等操作。 1）等于inode-》f_op， 對于普通文件， 塊設(shè)備文件， 等; 2）由inode-》f_op-》open函數(shù)在文件打開時指定， 典型的情況是字符設(shè)備。 所有字符設(shè)備具有相同的inode-》f_op， 在inode-》f_op-》open過程中， 找到對應(yīng)設(shè)備驅(qū)動注冊的f_op， 賦給file-》f_op