Linux文件存储抽象VFS

Posted 2023-02-14 OshynSong

概念 VFS（Virtual Filesystem Switch）称为虚拟文件系统或虚拟文件系统转换，是一个内核软件层，在具体的文件系统之上抽象的一层，用来处理与Posix文件系统相关的所有调用，表现为能够给各种文件系统提供一个通用的接口，使上层的应用程序能够使用通用的接口访问不同文件系统，同时也为不同文件系统的通信提供了媒介。

架构

VFS在整个Linux系统中的架构视图如下：
Linux系统的User使用GLIBC（POSIX标准、GUN C运行时库）作为应用程序的运行时库，然后通过操作系统，将其转换为系统调用SCI（system-call interface），SCI是操作系统内核定义的系统调用接口，这层抽象允许用户程序的I/O操作转换为内核的接口调用。VFS提供了一个抽象层，将POSIX API接口与不同存储设备的具体接口实现进行了分离，使得底层的文件系统类型、设备类型对上层应用程序透明。

接口适配示例

用户写入一个文件，使用POSIX标准的write接口，会被操作系统接管，转调sys_write这个系统调用（属于SCI层）。然后VFS层接受到这个调用，通过自身抽象的模型，转换为对给定文件系统、给定设备的操作，这一关键性的步骤是VFS的核心，需要有统一的模型，使得对任意支持的文件系统都能实现系统的功能。这就是VFS提供的统一的文件模型（common file model），底层具体的文件系统负责具体实现这种文件模型，负责完成POSIX API的功能，并最终实现对物理存储设备的操作。

VFS这一层建模和抽象是有必要的，如果放在SCI层会导致操作系统的系统调用的功能过于复杂，易出bug。那么就只能让底层文件系统都遵循统一实现，这对于已经出现的各种存储设备来说天然就有不同的特性，也是无法实现的。因此VFS这样一层抽象是有其必要性的。

跨设备/文件系统示例

VFS为不同设备或文件系统间的访问提供了媒介，下面的示意图和代码中，用户通过cp命令进行文件的拷贝，对用户来说是不用关心底层是否跨越文件系统和设备的，具体都通过VFS抽象层实现对不同文件系统的读写操作。

VFS的抽象接口

上述示例中提到VFS也有自己的文件模型，用来支持操作系统的系统调用。下面是VFS抽象模型支持的所有Linux系统调用：

• 文件系统相关：mount, umount, umount2, sysfs,  statfs,  fstatfs,  fstatfs64, ustat
• 目录相关：chroot，pivot_root，chdir，fchdir，getcwd，mkdir，rmdir，getdents，getdents64，readdir，link，unlink，rename，lookup_dcookie
• 链接相关：readlink，symlink
• 文件相关：chown， fchown，lchown，chown16，fchown16，lchown16，hmod，fchmod，utime，stat，fstat，lstat，acess，oldstat，oldfstat，oldlstat，stat64，lstat64，lstat64，open，close，creat，umask，dup，dup2，fcntl， fcntl64，select，poll，truncate，ftruncate，truncate64，ftruncate64，lseek，llseek，read，write，readv，writev，sendfile，sendfile64，readahead

Linux系统VFS支持的文件系统

• Disk-based 文件系统：Ext2, ext3, ReiserFS，Sysv, UFS, MINIX, VxFS，VFAT, NTFS，ISO9660 CD-ROM, UDF DVD，HPFS, HFS, AFFS, ADFS,
• Network 文件系统：NFS, Coda, AFS, CIFS, NCP
• 特殊文件系统：/proc，/tmpfs等

统一文件模型（common file model）

VFS为了提供对不同底层文件系统的统一接口，需要有一个高度的抽象和建模，这就是VFS的核心设计——统一文件模型。目前的Linux系统的VFS都是源于Unix家族，因此这里所说的VFS对所有Unix家族的系统都适用。Unix家族的VFS的文件模型定义了四种对象，这四种对象构建起了统一文件模型。

• superblock：存储文件系统基本的元数据。如文件系统类型、大小、状态，以及其他元数据相关的信息（元元数据）
• index node（inode）：保存一个文件相关的元数据。包括文件的所有者（用户、组）、访问时间、文件类型等，但不包括这个文件的名称。文件和目录均有具体的inode对应
• directory entry（dentry）：保存了文件（目录）名称和具体的inode的对应关系，用来粘合二者，同时可以实现目录与其包含的文件之间的映射关系。另外也作为缓存的对象，缓存最近最常访问的文件或目录，提示系统性能
• file：一组逻辑上相关联的数据，被一个进程打开并关联使用

统一文件模型是一个标准，各种具体文件系统的实现必须以此模型定义的各种概念来实现。

Superblock

静态：superblock保存了一个文件系统的最基础的元信息，一般都保存在底层存储设备的开头；动态：挂载之后会读取文件系统的superblock并常驻内存，部分字段是动态创建时设置的。superblock的具体定义见linux/include/fs/fs.h，下图展示了内存中维护的superblock：
由于Linux系统支持同时挂载多个文件系统，因此s_list字段用于在内存中构建superblock链表来支持挂载多个文件系统。s_root字段标识该文件系统的根目录，s_bdev标识该文件系统所在的设备信息。其中最重要的字段是s_op，这个指针指向该文件系统所支持的各种操作的结构体，称为“super_operations”，具体定义如下： struct super_operations struct inode * ( * alloc_inode ) ( struct super_block * sb ) ; void ( * destroy_inode ) ( struct inode * ) ; void ( * dirty_inode ) ( struct inode * ) ; int ( * write_inode ) ( struct inode * , int ) ; void ( * drop_inode ) ( struct inode * ) ; void ( * delete_inode ) ( struct inode * ) ; void ( * put_super ) ( struct super_block * ) ; void ( * write_super ) ( struct super_block * ) ; int ( * sync_fs ) ( struct super_block * sb , int wait ) ; int ( * freeze_fs ) ( struct super_block * ) ; int ( * unfreeze_fs ) ( struct super_block * ) ; int ( * statfs ) ( struct dentry * , struct kstatfs * ) ; int ( * remount_fs ) ( struct super_block * , int * , char * ) ; void ( * clear_inode ) ( struct inode * ) ; void ( * umount_begin ) ( struct super_block * ) ; int ( * show_options ) ( struct seq_file * , struct vfsmount * ) ; int ( * show_stats ) ( struct seq_file * , struct vfsmount * ) ; ssize_t ( * quota_read ) ( struct super_block * , int , char * , size_t , loff_t ) ; ssize_t ( * quota_write ) ( struct super_block * , int , const char * , size_t , loff_t ) ; int ( * bdev_try_to_free_page ) ( struct super_block * , struct page * , gfp_t ) ; ; 这个结构体的每个成员都一个函数指针，用来代表这个操作具体应该执行的底层操作。例如需要写入数据时，VFS会通过superblock中的s_op字段最终去调用write_super来执行文件系统的具体操作： sb->s_op->write_super(sb)。所有这些调用都由VFS完成，向上对接了操作系统的sys_write系统调用，向下转交到具体文件系统的底层操作。
每一个文件系统使用前必须进行挂载（mount），superblock包含的s_type字段定义了这个文件系统的类型。通过系统调用 register_filesystem()、 unregister_filesystem() 可以实现对具体文件系统的挂载和卸载，它们都只有一个参数，就是文件系统类型“  file_system_type ”。本质上就是告诉操作系统挂载的文件系统信息。对于2.6.18之后的内核版本，该结构体定义如下： struct file_system_type const char * name ; //文件系统类型名称 int fs_flags ; struct super_block * ( * get_sb ) ( struct file_system_type * , int , char * , void * , struct vfsmount * ) ; //挂载文件系统时由kernel调用，用于创建内存中的superblock void ( * kill_sb ) ( struct super_block * ) ; //卸载文件系统是由kernel调用，用于移除内存中的superblock struct module * owner ; struct file_system_type * next ; struct list_head fs_supers ; struct lock_class_key s_lock_key ; struct lock_class_key s_umount_key ; ; 另外，get_sb的最后一个参数是vfsmount类型，这是系统用来记录挂载信息的数据结构。它保存了挂载点、设备、挂载选项等信息。对于每个一个打开的进程来说，都会在其内核部分维护两个数据结构：fs_struct和file；分别用来描述关联的文件系统信息和打开的文件信息。

Index node

静态：创建文件系统时生成inode，保存在具体存储设备上，记录了文件系统的元信息；动态：VFS在内存中使用inode数据结构，来管理文件系统的文件对象，记录了文件对象的详细信息，部分字段与关联的文件对象有关，会动态创建。具体信息如下：
i_dentry字段指定当前inode标识的文件对象的名称，也就是dentry，是一个链表的，因为可能由多个dentry都指向这个inode（硬链接）。然后除了文件的一些权限信息、访问时间、大小等信息之外，最重要的就是记录了inode和file对象所提供的操作，分别是i_fop和i_op。其中inode支持的操作示例如下： struct inode_operations int ( * create ) ( struct inode * , struct dentry * , int ) ; struct dentry * ( * lookup ) ( struct inode * , struct dentry * ) ; int ( * link ) ( struct dentry * , struct inode * , struct dentry * ) ; int ( * unlink ) ( struct inode * , struct dentry * ) ; int ( * symlink ) ( struct inode * , struct dentry * , const char * ) ; int ( * mkdir ) ( struct inode * , struct dentry * , int ) ; int ( * rmdir ) ( struct inode * , struct dentry * ) ; int ( * mknod ) ( struct inode * , struct dentry * , int , dev_t ) ; int ( * rename ) ( struct inode * , struct dentry * , struct inode * , struct dentry * ) ; int ( * readlink ) ( struct dentry * , char * , int ) ; int ( * follow_link ) ( struct dentry * , struct nameidata * ) ; void ( * truncate ) ( struct inode * ) ; int ( * permission ) ( struct inode * , int ) ; int ( * setattr ) ( struct dentry * , struct iattr * ) ; int ( * getattr ) ( struct vfsmount * mnt , struct dentry * 关于linux文件系统的理解

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