通常我們使用的磁盤(pán)和光盤(pán)都屬于塊設(shè)備，也就是說(shuō)它們都是按照 數(shù)據(jù)塊 來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)的，可以把磁盤(pán)和光盤(pán)想象成一個(gè)由數(shù)據(jù)塊組成的巨大數(shù)組。但這樣的讀寫(xiě)方式對(duì)于人類來(lái)說(shuō)不太友好，所以一般要在磁盤(pán)或者光盤(pán)上面掛載 文件系統(tǒng) 才能使用。那么什么是 文件系統(tǒng) 呢？ 文件系統(tǒng) 是一種存儲(chǔ)和組織數(shù)據(jù)的方法，它使得對(duì)其訪問(wèn)和查找變得容易。通過(guò)掛載文件系統(tǒng)后，我們可以使用如 /home/docs/test.txt 的方式來(lái)訪問(wèn)磁盤(pán)中的數(shù)據(jù)，而不用使用數(shù)據(jù)塊編號(hào)來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。

在Linux系統(tǒng)中，可以使用多種文件系統(tǒng)來(lái)掛載不同的設(shè)備，如 ext2、ext3、nfs等等。但提供給用戶的文件處理接口是一致的，也就是說(shuō)不管使用 ext2 文件系統(tǒng)還是使用 ext3 文件系統(tǒng)，處理文件的接口都是一樣的。這樣的好處是，用戶不用關(guān)心使用了什么文件系統(tǒng)，只需要使用統(tǒng)一的方式去處理文件即可。那么Linux是如何做到的呢？這就得益于 虛擬文件系統(tǒng)(Virtual File System，簡(jiǎn)稱 VFS)。

虛擬文件系統(tǒng) 為不同的文件系統(tǒng)定義了一套規(guī)范，各個(gè)文件系統(tǒng)必須按照 虛擬文件系統(tǒng)的規(guī)范 編寫(xiě)才能接入到 虛擬文件系統(tǒng)中。這有點(diǎn)像面向?qū)ο笳Z(yǔ)言里面的 接口，當(dāng)一個(gè)類實(shí)現(xiàn)了某個(gè)接口的所有方法時(shí)，便可以把這個(gè)類當(dāng)做成此接口。VFS 主要為用戶和內(nèi)核架起一道橋梁，用戶可以通過(guò) VFS 提供的接口訪問(wèn)不同的文件系統(tǒng)，如下圖：

下面我們開(kāi)始分析 虛擬文件系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn)原理。

虛擬文件系統(tǒng)抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Linux奉行了Unix的理念：一切皆文件，比如一個(gè)目錄是一個(gè)文件，一個(gè)設(shè)備也是一個(gè)文件等，因而文件系統(tǒng)在Linux中占有非常重要的地位。

因?yàn)橐獮椴煌愋偷奈募到y(tǒng)定義統(tǒng)一的接口層，所以 VFS 定義了一系列的規(guī)范，真實(shí)的文件系統(tǒng)必現(xiàn)按照 VFS 的規(guī)范來(lái)編寫(xiě)程序。VFS 抽象了幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織和管理不同的文件系統(tǒng)，分別為：超級(jí)塊（super_block）、索引節(jié)點(diǎn)（inode）、目錄結(jié)構(gòu)（dentry） 和 文件結(jié)構(gòu)（file），要理解 VFS 就必須先了解這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義和作用。

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超級(jí)塊(super block)

因?yàn)長(zhǎng)inux支持多文件系統(tǒng)，所以在內(nèi)核中必須通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述具體文件系統(tǒng)的信息和相關(guān)的操作等，VFS 定義了一個(gè)名為 超級(jí)塊（super_block） 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述具體的文件系統(tǒng)，也就是說(shuō)內(nèi)核是通過(guò)超級(jí)塊來(lái)認(rèn)知具體的文件系統(tǒng)的，一個(gè)具體的文件系統(tǒng)會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)超級(jí)塊結(jié)構(gòu)，其定義如下（由于super_block的成員比較多，所以這里只列出部分）：

下面我們介紹一下一些比較重要的成員：

• s_dev：用于保存設(shè)備的設(shè)備號(hào)

• s_blocksize：用于保存文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)塊大?。ㄎ募到y(tǒng)是以數(shù)據(jù)塊為單位的）

• s_type：文件系統(tǒng)的類型（提供了讀取設(shè)備中文件系統(tǒng)超級(jí)塊的方法）

• s_op：超級(jí)塊相關(guān)的操作列表

• s_root：掛載的根目錄

索引節(jié)點(diǎn)（inode）

索引節(jié)點(diǎn)（inode） 是 VFS 中最為重要的一個(gè)結(jié)構(gòu)，用于描述一個(gè)文件的meta（元）信息，其包含的是諸如文件的大小、擁有者、創(chuàng)建時(shí)間、磁盤(pán)位置等和文件相關(guān)的信息，所有文件都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的 inode 結(jié)構(gòu)。inode 的定義如下（由于inode的成員也是非常多，所以這里也只列出部分成員，具體可以參考Linux源碼）：

下面也介紹一下 inode 中幾個(gè)比較重要的成員：

• i_uid：文件所屬的用戶

• i_gid：文件所屬的組

• i_rdev：文件所在的設(shè)備號(hào)

• i_size：文件的大小

• i_atime：文件的最后訪問(wèn)時(shí)間

• i_mtime：文件的最后修改時(shí)間

• i_ctime：文件的創(chuàng)建時(shí)間

• i_op：inode相關(guān)的操作列表

• i_fop：文件相關(guān)的操作列表

• i_sb：文件所在文件系統(tǒng)的超級(jí)塊

我們應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注 i_op 和 i_fop 這兩個(gè)成員。i_op 成員定義對(duì)目錄相關(guān)的操作方法列表，譬如 mkdir()系統(tǒng)調(diào)用會(huì)觸發(fā) inode->i_op->mkdir() 方法，而 link() 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)觸發(fā) inode->i_op->link() 方法。而 i_fop 成員則定義了對(duì)打開(kāi)文件后對(duì)文件的操作方法列表，譬如 read() 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)觸發(fā) inode->i_fop->read() 方法，而 write() 系統(tǒng)調(diào)用會(huì)觸發(fā) inode->i_fop->write() 方法。

目錄項(xiàng)（dentry）

目錄項(xiàng)的主要作用是方便查找文件。一個(gè)路徑的各個(gè)組成部分，不管是目錄還是普通的文件，都是一個(gè)目錄項(xiàng)對(duì)象。如，在路徑 /home/liexusong/example.c 中，目錄 /, home/, liexusong/ 和文件 example.c 都對(duì)應(yīng)一個(gè)目錄項(xiàng)對(duì)象。不同于前面的兩個(gè)對(duì)象，目錄項(xiàng)對(duì)象沒(méi)有對(duì)應(yīng)的磁盤(pán)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，VFS 在遍歷路徑名的過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)將它們逐個(gè)地解析成目錄項(xiàng)對(duì)象。其定義如下：

文件結(jié)構(gòu)（file）

文件結(jié)構(gòu)用于描述一個(gè)已打開(kāi)的文件，其包含文件當(dāng)前的讀寫(xiě)偏移量，文件打開(kāi)模式和文件操作函數(shù)列表等，文件結(jié)構(gòu)定義如下：

下圖展示了各個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系：

虛擬文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

接下來(lái)我們分析一下虛擬文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

注冊(cè)文件系統(tǒng)

Linux為了支持不同的文件系統(tǒng)而創(chuàng)造了虛擬文件系統(tǒng)，虛擬文件系統(tǒng)更像一個(gè)規(guī)范(或者說(shuō)接口)，真實(shí)的文件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)的規(guī)范(接口)才能接入到Linux內(nèi)核中。

要讓Linux內(nèi)核能夠發(fā)現(xiàn)真實(shí)的文件系統(tǒng)，那么必須先使用 register_filesystem() 函數(shù)注冊(cè)文件系統(tǒng)，register_filesystem() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

register_filesystem() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，就是把類型為 struct file_system_type 的 fs 添加到 file_systems全局鏈表中。struct file_system_type 結(jié)構(gòu)的定義如下：

其中比較重要的字段是 read_super，用于讀取文件系統(tǒng)的超級(jí)塊結(jié)構(gòu)。在Linux初始化時(shí)會(huì)注冊(cè)各種文件系統(tǒng)，比如 ext2 文件系統(tǒng)會(huì)調(diào)用 register_filesystem(&ext2_fs_type) 來(lái)注冊(cè)。

當(dāng)安裝Linux系統(tǒng)時(shí)，需要把磁盤(pán)格式化為指定的文件系統(tǒng)，其實(shí)格式化就是把文件系統(tǒng)超級(jí)塊信息寫(xiě)入到磁盤(pán)中。但Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，就會(huì)遍歷所有注冊(cè)過(guò)的文件系統(tǒng)，然后調(diào)用其 read_super() 接口來(lái)嘗試讀取超級(jí)塊信息，因?yàn)槊糠N文件系統(tǒng)的超級(jí)塊都有不同的魔數(shù)，用于識(shí)別不同的文件系統(tǒng)，所以當(dāng)調(diào)用 read_super() 接口返回成功時(shí)，表示讀取超級(jí)塊成功，而且識(shí)別出磁盤(pán)所使用的文件系統(tǒng)。具體過(guò)程可以通過(guò) mount_root() 函數(shù)得知：

在上面的for循環(huán)中，遍歷了所有已注冊(cè)的文件系統(tǒng)，并且調(diào)用其 read_super() 接口來(lái)嘗試讀取超級(jí)塊信息，如果成功表示磁盤(pán)所使用的文件系統(tǒng)就是當(dāng)前文件系統(tǒng)。成功讀取超級(jí)塊信息后，會(huì)把根目錄的 dentry 結(jié)構(gòu)保存到當(dāng)前進(jìn)程的 root 和 pwd 字段中，root 表示根目錄，pwd 表示當(dāng)前工作目錄。

打開(kāi)文件

要使用一個(gè)文件前必須打開(kāi)文件，打開(kāi)文件使用 open() 系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，而 open() 系統(tǒng)調(diào)用最終會(huì)調(diào)用內(nèi)核的 sys_open() 函數(shù)，sys_open() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

sys_open() 函數(shù)的主要流程是：

• 通過(guò)調(diào)用 get_unused_fd() 函數(shù)獲取一個(gè)空閑的文件描述符。

• 調(diào)用 filp_open() 函數(shù)打開(kāi)文件，返回打開(kāi)文件的file結(jié)構(gòu)。

• 調(diào)用 fd_install() 函數(shù)把文件描述符與file結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)起來(lái)。

• 返回文件描述符，也就是 open() 系統(tǒng)調(diào)用的返回值。

在上面的過(guò)程中，最重要的是調(diào)用 filp_open() 函數(shù)打開(kāi)文件，filp_open() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下：

filp_open() 函數(shù)首先調(diào)用 get_empty_filp() 函數(shù)獲取一個(gè)空閑的file結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用 open_namei() 函數(shù)來(lái)打開(kāi)對(duì)應(yīng)路徑的文件。open_namei() 函數(shù)會(huì)返回一個(gè) dentry結(jié)構(gòu)，就是對(duì)應(yīng)文件路徑的 dentry結(jié)構(gòu)。所以 open_namei() 函數(shù)才是打開(kāi)文件的核心函數(shù)，其實(shí)現(xiàn)如下：

上面的代碼去掉了很多權(quán)限驗(yàn)證的代碼，open_namei() 函數(shù)首先會(huì)調(diào)用 lookup_dentry() 函數(shù)打開(kāi)文件并獲得文件打開(kāi)后的 dentry結(jié)構(gòu)，如果文件不存在并且打開(kāi)文件的時(shí)候設(shè)置了 O_CREAT 標(biāo)志位，那么就調(diào)用 vfs_create() 函數(shù)創(chuàng)建文件。我們先來(lái)看看 vfs_create() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：

從 vfs_create() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)可知，最終會(huì)調(diào)用 inode結(jié)構(gòu) 的 create() 方法來(lái)創(chuàng)建文件。這個(gè)方法由真實(shí)的文件系統(tǒng)提供，所以真實(shí)文件系統(tǒng)只需要把創(chuàng)建文件的方法掛載到 inode結(jié)構(gòu) 上即可，虛擬文件系統(tǒng)不需要知道真實(shí)文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，這就是虛擬文件系統(tǒng)可以支持多種文件系統(tǒng)的真正原因。

而 lookup_dentry() 函數(shù)最終會(huì)調(diào)用 real_lookup() 函數(shù)來(lái)逐級(jí)目錄查找并打開(kāi)。real_lookup() 函數(shù)代碼如下：

參數(shù) parent 是父目錄的 dentry結(jié)構(gòu)，而參數(shù) name 是要打開(kāi)的目錄或者文件的名稱。real_lookup() 函數(shù)最終也會(huì)調(diào)用父目錄的 inode結(jié)構(gòu) 的 lookup() 方法來(lái)查找并打開(kāi)文件，然后返回打開(kāi)后的子目錄或者文件的 dentry結(jié)構(gòu)。lookup() 方法需要把要打開(kāi)的目錄或者文件的 inode結(jié)構(gòu) 從磁盤(pán)中讀入到內(nèi)存中（如果目錄或者文件存在的話），并且把其 inode結(jié)構(gòu) 保存到 dentry結(jié)構(gòu) 的 d_inode 字段中。

filp_open() 函數(shù)會(huì)把 inode結(jié)構(gòu) 的文件操作函數(shù)列表復(fù)制到 file結(jié)構(gòu) 中，如下：

這樣，file結(jié)構(gòu) 就有操作文件的函數(shù)列表。

讀寫(xiě)文件

讀取文件內(nèi)容通過(guò) read() 系統(tǒng)調(diào)用完成，而 read() 系統(tǒng)調(diào)用最終會(huì)調(diào)用 sys_read() 內(nèi)核函數(shù)，sys_read() 內(nèi)核函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下：

sys_read() 函數(shù)首先會(huì)調(diào)用 fget() 函數(shù)把文件描述符轉(zhuǎn)換成 file結(jié)構(gòu)，然后再通過(guò)調(diào)用 file結(jié)構(gòu) 的 read() 方法來(lái)讀取文件內(nèi)容，read() 方法是由真實(shí)文件系統(tǒng)提供的，所以最終的過(guò)程會(huì)根據(jù)不同的文件系統(tǒng)而進(jìn)行不同的操作，比如ext2文件系統(tǒng)最終會(huì)調(diào)用 generic_file_read() 函數(shù)來(lái)讀取文件的內(nèi)容。

把內(nèi)容寫(xiě)入到文件是通過(guò)調(diào)用 write() 系統(tǒng)調(diào)用實(shí)現(xiàn)，而 write() 系統(tǒng)調(diào)用最終會(huì)調(diào)用 sys_write() 內(nèi)核函數(shù)，sys_write() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)如下：

sys_write() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與 sys_read() 類似，首先會(huì)調(diào)用 fget() 函數(shù)把文件描述符轉(zhuǎn)換成 file結(jié)構(gòu)，然后再通過(guò)調(diào)用 file結(jié)構(gòu) 的 write() 方法來(lái)把內(nèi)容寫(xiě)入到文件中，對(duì)于ext2文件系統(tǒng)，write() 方法對(duì)應(yīng)的是 ext2_file_write()函數(shù)。