虚拟文件系统

Posted 2020-10-25 AlanTu

Linux内核中的虚拟文件系统用来管理挂接各种具体文件系统。具体的文件系统可设计成可加载模块，在系统需要时进行加载。

挂载具体文件系统时，VFS读取它的超级块，得到具体文件系统的拓扑结构，并将这些信息映射到VFS超级块结构中。

当进程或shell命令访问目录和文件时，shell命令及应用程序分解成系统调用，系统调用进入内核空间，遍历虚拟文件系统的VFS节点（inode），而VFS节点指向了具体文件系统的节点。通过底层块I/O函数调用IDE接口，再通过块驱动程序访问块设备（如硬盘），得到文件数据。文件系统的运行流程如图所示。

 

1 VFS的超级块、dentry和节点结构

Linux的目录和文件实际上都是一种文件，目录应称为目录文件，一个目录文件就是一个目录项的列表，其中的每一个目录项都有一个数据结构来描述。每个目录的头两项总是标准目录项“.”和“..”，分别指向目录、父目录的inode。

VFS超级块

VFS超级块是在这些文件系统中描整个文件系统信息的全局数据结构。VFS超级块是各种逻辑文件系统在安装时建立，并在这些文件系统卸载时自动删除。可见，VFS超级块确实只存在于内存中。

超级块结构super_block列出如下：

 

dentry

为保持从目录访问inode的高效率，Linux维护了表达路径与inode对应的关系的dentry结构。dentry结构描述了路径信息并链接到结点inode。每个文件有一个dentry结构，被文件系统使用过的目录将会存入dentry结构中。这样，同一目录被再次访问时，可直接从dentry中得到，不必重复访问存储文件系统的设备。

dentry结构列出如下：

 

inode

VFS中的每个文件、目录文件等都有惟一的VFS inode表示。每个VFS inode中的信息通过文件系统从实际文件系统中得到。

结构inode列出如下：

 

2 与进程联系的文件系统相关结构

进程是通过文件描述符而不是文件名来访问文件的，文件描述符实际上是一个整数，规定每个进程最多能同时使用NR_OPEN个文件描述符，这个值在fs.h中定义为256.每个进程用一个file_struct的结构来记录文件描述符的使用情况，它是进程的私有数据。

每个文件都有一个32位的整数来表示下一个读写的字节位置，即文件位置。每次打开一个文件，默认是从文件的开始处操作，可以通过系统调用lseek对这个文件位置进行修改。

在进程的task_struct中的文件系统相关的数据成员，列出如下：

 

结构fs_struct给出了文件系统信息，列出如下：

 

结构files_struct是用户打开文件描述符表，它给出了文件描述符的使用情况，其file结构成员给出了每个文件描述符的信息，结构files_struct分析如下：

 

结构files_struct中成员fd_array主要是一个256项的file结构数组，数组的下标是文件描述符，而其内容就是对应的file结构。在一个进程启动后，文件描述符0，1,2，已经被分配并可供使用：0表示标准输入设备，1表示标准输出设备，2表示标准错误输出设备。所以，能使用的第一个文件描述符是3.

结构file保存打开文件的信息，通过文件描述符查找文件描述符数组fd_arrayfile可得到file结构。结构file分析如下：

 

3 系统有关操作函数集的结构

VFS毕竟是虚拟的，它无法 设计具体文件系统的细节，所以，必须在VFS和具体结构文件系统之间有一些接口。VFS的数据结构就好像是一个标准，具体文件系统要想被Linux支持，就必须提供VFS标准应具有的结构及操作函数。实际上，具体文件系统在使用前，必须将自己的结构及操作函数映射到VFS中，这样才能被访问到。

super_operatirons

结构super_operations是对文件系统超级块进行操作的函数集。这个结构分析如下：

 

inode_operations

结构inode_operations定义了节点的操作函数集，分析如下：

file_operations

结构file_operations中存有对文件进行操作的函数，这个结构分析如下：

4 文件系统的各种缓存

Linux能支持多种文件系统并且保持很高的性能，这是因为文件系统有各种各种的缓存，组织成了各种hash表，有效地提高了访问速度。文件系统使用的各种缓存如下：

 

块缓存buffer

为加速对物理设备的访问，Linux维护一组缓冲区，用做对块设备上的数据的块缓存。需要使用块设备上的数据时，系统把数据块调入块缓存中。下次再访问该数据块时，不必访问物理设备了。常用的数据块会一直留在块缓存中，这样减少了访问设备的时间。

Linux以struct buffer_head规定的数据格式封装缓存。buffer_head结构对块缓存进行管理，多个块缓存组成了块缓存页，每页中的块缓存buffer_head结构形成了一个环形链表，页的私有数据指针指向这个环形链表的头部。

结构buffer_head包含了用于描述缓冲区内容的信息，例如，所在设备号，起始物理块号，包含在缓冲区的字节数，还包含了缓冲区状态，例如，是否有用数据，是否正在使用，重新利用之前是否要写回磁盘等。

结构buffer_head分析如下：

 

块缓存独立于任何类型的文件系统。文件系统中凡涉及磁盘读写，几乎都要通过块缓存；有些甚至直接利用缓冲区缓存保存信息。

每个块缓存由两部分组成：第一部分称为块缓存首部，用数据结构buffer_head表示；第二部分是块缓存数据区，结构buffer_head与块缓存数据分别存储，结构buffer_head用b_page来指明数据区所在的页，b_size表示数据的大小。