- 这是我参与「第三届青训营 -后端场」笔记创作活动的的第二篇笔记
一，虚拟文件系统（VFS）
虚拟文件系统提供了统一的接口对文件进行操作
1，虚拟文件系统的相关概念
VFS采用了面向对象的设计思路，用了一组数据结构来描述通用的文件对象
VFS主要有四种对象类型：
- 超级块对象：用于存储文件系统的控制信息的数据结构。描述文件系统的状态、文件系统类型、大小、区块数、索引节 点数等，存放于磁盘的特定扇区中。
- 索引节点对象：用于存储文件的元数据的一个数据结构。文件的元数据，也就是文件的相关信息，和文件本身是两个不同 的概念。它包含的是诸如文件的大小、拥有者、创建时间、磁盘位置等和文件相关的信息。
- 目录项：在一个文件路径中，路径中的每一部分都被称为目录项；如路径/home/source/helloworld.c中，目录 /, home, source和文件 helloworld.c都是一个目录项。
- 文件对象：一组在逻辑上具有完整意义的信息项的系列。在Linux中，除了普通文件，其他诸如目录、设备、套接字等 也以文件被对待。总之，“一切皆文件”。（目录是特殊的文件）
超级块
存储一个已安装的文件系统的控制信息，代表一个已安装的文件系统；每次一个实际的文件系统被安装时， 内核会从磁盘的特定位置读取一些控制信息来填充内存中的超级块对象。一个安装实例和一个超级块对象一一对应。 超级块通过其结构中的一个域s_type记录它所属的文件系统类型。
/*
* 超级块结构中定义的字段非常多，
* 这里只介绍一些重要的属性
*/
struct super_block {
struct list_head s_list; /* 指向所有超级块的链表 */
const struct super_operations *s_op; /* 超级块方法 */
struct dentry *s_root; /* 目录挂载点 */
struct mutex s_lock; /* 超级块信号量 */
int s_count; /* 超级块引用计数 */
struct list_head s_inodes; /* inode链表 */
struct mtd_info *s_mtd; /* 存储磁盘信息 */
fmode_t s_mode; /* 安装权限 */
};
/*
* 其中的 s_op 中定义了超级块的操作方法
* 这里只介绍一些相对重要的函数
*/
struct super_operations {
struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); /* 创建和初始化一个索引节点对象 */
void (*destroy_inode)(struct inode *); /* 释放给定的索引节点 */
void (*dirty_inode) (struct inode *); /* VFS在索引节点被修改时会调用这个函数 */
int (*write_inode) (struct inode *, int); /* 将索引节点写入磁盘，wait表示写操作是否需要同步 */
void (*drop_inode) (struct inode *); /* 最后一个指向索引节点的引用被删除后，VFS会调用这个函数 */
void (*delete_inode) (struct inode *); /* 从磁盘上删除指定的索引节点 */
void (*put_super) (struct super_block *); /* 卸载文件系统时由VFS调用，用来释放超级块 */
void (*write_super) (struct super_block *); /* 用给定的超级块更新磁盘上的超级块 */
int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait); /* 使文件系统中的数据与磁盘上的数据同步 */
int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *); /* VFS调用该函数获取文件系统状态 */
int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *); /* 指定新的安装选项重新安装文件系统时，VFS会调用该函数 */
void (*clear_inode) (struct inode *); /* VFS调用该函数释放索引节点，并清空包含相关数据的所有页面 */
void (*umount_begin) (struct super_block *); /* VFS调用该函数中断安装操作 */
};
索引节点对象
索引节点对象包含了内核在操作文件或目录时需要的全部信息，代表了存储设备上的一个实际的物理文件。当一个 文件首次被访问时，内核会在内存中组装相应的索引节点对象，以便向内核提供对一个文件进行操 作时所必需的全部信息；这些信息一部分存储在磁盘特定位置，另外一部分是在加载时动态填充的。
/*
* 索引节点结构中定义的字段非常多，
* 这里只介绍一些重要的属性
*/
struct inode {
struct hlist_node i_hash; /* 散列表，用于快速查找inode */
struct list_head i_list; /* 索引节点链表 */
struct list_head i_sb_list; /* 超级块链表超级块 */
struct list_head i_dentry; /* 目录项链表 */
unsigned long i_ino; /* 节点号 */
atomic_t i_count; /* 引用计数 */
unsigned int i_nlink; /* 硬链接数 */
uid_t i_uid; /* 使用者id */
gid_t i_gid; /* 使用组id */
struct timespec i_atime; /* 最后访问时间 */
struct timespec i_mtime; /* 最后修改时间 */
struct timespec i_ctime; /* 最后改变时间 */
const struct inode_operations *i_op; /* 索引节点操作函数 */
const struct file_operations *i_fop; /* 缺省的索引节点操作 */
struct super_block *i_sb; /* 相关的超级块 */
struct address_space *i_mapping; /* 相关的地址映射 */
struct address_space i_data; /* 设备地址映射 */
unsigned int i_flags; /* 文件系统标志 */
void *i_private; /* fs 私有指针 */
};
/*
* 其中的 i_op 中定义了索引节点的操作方法
* 这里只介绍一些相对重要的函数
*/
struct inode_operations {
/* 为dentry对象创造一个新的索引节点 */
int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
/* 在特定文件夹中寻找索引节点，该索引节点要对应于dentry中给出的文件名 */
struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
/* 创建硬链接 */
int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
/* 从一个符号链接查找它指向的索引节点 */
void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
/* 在 follow_link调用之后，该函数由VFS调用进行清除工作 */
void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *);
/* 该函数由VFS调用，用于修改文件的大小 */
void (*truncate) (struct inode *);
};
目录项对象
在VFS中，目录也当作文件对待，那么为什么还需要目录项对象呢？
因为虽然都可以统一的由索引节点标识，但是VFS经常需要执行目录的相关操作，比如路径名查找之类的，为了方便操作，VFS引入了目录项对象
一个路径的各个组成部分，不管是目录还是 普通的文件，都是一个目录项对象。如，在路径/home/source/test.c中，目录 /, home, source和文件 test.c都对应一个目录项对象。不同于前面的两个对象，目录项对象没有对应的磁盘数据结构，VFS在遍 历路径名的过程中现场将它们逐个地解析成目录项对象。
每个目录项对象都有3种状态：被使用，未使用和负状态
- 被使用：对应一个有效的索引节点，并且该对象由一个或多个使用者
- 未使用：对应一个有效的索引节点，但是VFS当前并没有使用这个目录项
- 负状态：没有对应的有效索引节点（可能索引节点被删除或者路径不存在了）
目录项的目的就是提高文件查找，比较的效率，所以访问过的目录项都会缓存在slab中。
/* 目录项对象结构 */
struct dentry {
atomic_t d_count; /* 使用计数 */
unsigned int d_flags; /* 目录项标识 */
spinlock_t d_lock; /* 单目录项锁 */
int d_mounted; /* 是否登录点的目录项 */
struct inode *d_inode; /* 相关联的索引节点 */
struct hlist_node d_hash; /* 散列表 */
struct dentry *d_parent; /* 父目录的目录项对象 */
struct qstr d_name; /* 目录项名称 */
struct list_head d_lru; /* 未使用的链表 */
/*
* d_child and d_rcu can share memory
*/
union {
struct list_head d_child; /* child of parent list */
struct rcu_head d_rcu;
} d_u;
struct list_head d_subdirs; /* 子目录链表 */
struct list_head d_alias; /* 索引节点别名链表 */
unsigned long d_time; /* 重置时间 */
const struct dentry_operations *d_op; /* 目录项操作相关函数 */
struct super_block *d_sb; /* 文件的超级块 */
void *d_fsdata; /* 文件系统特有数据 */
unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* 短文件名 */
};
/* 目录项相关操作函数 */
struct dentry_operations {
/* 该函数判断目录项对象是否有效。VFS准备从dcache中使用一个目录项时会调用这个函数 */
int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
/* 为目录项对象生成hash值 */
int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
/* 比较 qstr 类型的2个文件名 */
int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
/* 当目录项对象的 d_count 为0时，VFS调用这个函数 */
int (*d_delete)(struct dentry *);
/* 当目录项对象将要被释放时，VFS调用该函数 */
void (*d_release)(struct dentry *);
/* 当目录项对象丢失其索引节点时（也就是磁盘索引节点被删除了），VFS会调用该函数 */
void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
};
和前面两个对象不同，目录项没有对应的磁盘数据结构，VFS根据字符串形式的路径名现场创建它，而且它并非真正保存在磁盘上，所有目录项结构没有是否被修改的标志（就是是否为脏，是否需要回写到磁盘的标志）
文件对象
文件对象是已打开的文件在内存中的表示，主要用于建立进程和磁盘上的文件的对应关系。它由sys_open() 现场创建，由sys_close()销毁。
文件对象和物理文件的关系有点像进程和程序的关系一样。当我们站在用户空间来看 待VFS，我们像是只需与文件对象打交道，而无须关心超级块，索引节点或目录项。因为多个进程可以同时打开和操作
同一个文件，所以同一个文件也可能存在多个对应的文件对象。文件对象仅仅在进程观点上代表已经打开的文件，它 反过来指向目录项对象（反过来指向索引节点）。
一个文件对应的文件对象可能不是惟一的，但是其对应的索引节点和 目录项对象无疑是惟一的。
/*
* 文件对象结构中定义的字段非常多，
* 这里只介绍一些重要的属性
*/
struct file {
union {
struct list_head fu_list; /* 文件对象链表 */
struct rcu_head fu_rcuhead; /* 释放之后的RCU链表 */
} f_u;
struct path f_path; /* 包含的目录项 */
const struct file_operations *f_op; /* 文件操作函数 */
atomic_long_t f_count; /* 文件对象引用计数 */
};
/*
* 其中的 f_op 中定义了文件对象的操作方法
* 这里只介绍一些相对重要的函数
*/
struct file_operations {
/* 用于更新偏移量指针,由系统调用lleek()调用它 */
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
/* 由系统调用read()调用它 */
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
/* 由系统调用write()调用它 */
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
/* 由系统调用 aio_read() 调用它 */
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
/* 由系统调用 aio_write() 调用它 */
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
/* 将给定文件映射到指定的地址空间上,由系统调用 mmap 调用它 */
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
/* 创建一个新的文件对象,并将它和相应的索引节点对象关联起来 */
int (*open) (struct inode *, struct file *);
/* 当已打开文件的引用计数减少时,VFS调用该函数 */
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
};
之间的关系
二，文件系统的相关数据结构
处理上面4个主要的对象之外，VFS中还有2个专门针对文件系统的2个对象，
- struct file_system_type: 用来描述文件系统的类型（比如ext3,ntfs等等）
- struct vfsmount : 描述一个安装文件系统的实例
复制代码
struct file_system_type {
const char *name; /* 文件系统名称 */
int fs_flags; /* 文件系统类型标志 */
/* 从磁盘中读取超级块,并且在文件系统被安装时,在内存中组装超级块对象 */
int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
const char *, void *, struct vfsmount *);
/* 终止访问超级块 */
void (*kill_sb) (struct super_block *);
struct module *owner; /* 文件系统模块 */
struct file_system_type * next; /* 链表中下一个文件系统类型 */
struct list_head fs_supers; /* 超级块对象链表 */
/* 下面都是运行时的锁 */
struct lock_class_key s_lock_key;
struct lock_class_key s_umount_key;
struct lock_class_key i_lock_key;
struct lock_class_key i_mutex_key;
struct lock_class_key i_mutex_dir_key;
struct lock_class_key i_alloc_sem_key;
};
每种文件系统,不管由多少个实例安装到系统中,还是根本没有安装到系统中,都只有一个 file_system_type 结构。
当文件系统被实际安装时，会在安装点创建一个 vfsmount 结构体。
结构体代表文件系统的实例，也就是文件系统被安装几次，就会创建几个 vfsmount
struct vfsmount {
struct list_head mnt_hash; /* 散列表 */
struct vfsmount *mnt_parent; /* 父文件系统，也就是要挂载到哪个文件系统 */
struct dentry *mnt_mountpoint; /* 安装点的目录项 */
struct dentry *mnt_root; /* 该文件系统的根目录项 */
struct super_block *mnt_sb; /* 该文件系统的超级块 */
struct list_head mnt_mounts; /* 子文件系统链表 */
struct list_head mnt_child; /* 子文件系统链表 */
int mnt_flags; /* 安装标志 */
/* 4 bytes hole on 64bits arches */
const char *mnt_devname; /* 设备文件名 e.g. /dev/dsk/hda1 */
struct list_head mnt_list; /* 描述符链表 */
struct list_head mnt_expire; /* 到期链表的入口 */
struct list_head mnt_share; /* 共享安装链表的入口 */
struct list_head mnt_slave_list;/* 从安装链表 */
struct list_head mnt_slave; /* 从安装链表的入口 */
struct vfsmount *mnt_master; /* 从安装链表的主人 */
struct mnt_namespace *mnt_ns; /* 相关的命名空间 */
int mnt_id; /* 安装标识符 */
int mnt_group_id; /* 组标识符 */
/*
* We put mnt_count & mnt_expiry_mark at the end of struct vfsmount
* to let these frequently modified fields in a separate cache line
* (so that reads of mnt_flags wont ping-pong on SMP machines)
*/
atomic_t mnt_count; /* 使用计数 */
int mnt_expiry_mark; /* 如果标记为到期，则为 True */
int mnt_pinned; /* "钉住"进程计数 */
int mnt_ghosts; /* "镜像"引用计数 */
#ifdef CONFIG_SMP
int *mnt_writers; /* 写者引用计数 */
#else
int mnt_writers; /* 写者引用计数 */
#endif
};
三，进程相关的数据结构
以上介绍的都是在内核角度看到的 VFS 各个结构，所以结构体中包含的属性非常多。
而从进程的角度来看的话，大多数时候并不需要那么多的属性，所有VFS通过以下3个结构体和进程紧密联系在一起。
- struct files_struct ：由进程描述符中的 files 目录项指向，所有与单个进程相关的信息(比如打开的文件和文件描述符)都包含在其中。
- struct fs_struct ：由进程描述符中的 fs 域指向，包含文件系统和进程相关的信息。
- struct mmt_namespace ：由进程描述符中的 mmt_namespace 域指向
struct files_struct {
atomic_t count; /* 使用计数 */
struct fdtable *fdt; /* 指向其他fd表的指针 */
struct fdtable fdtab;/* 基 fd 表 */
spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp; /* 单个文件的锁 */
int next_fd; /* 缓存下一个可用的fd */
struct embedded_fd_set close_on_exec_init; /* exec()时关闭的文件描述符链表 */
struct embedded_fd_set open_fds_init; /* 打开的文件描述符链表 */
struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; /* 缺省的文件对象数组 */
};
struct fs_struct {
int users; /* 用户数目 */
rwlock_t lock; /* 保护结构体的读写锁 */
int umask; /* 掩码 */
int in_exec; /* 当前正在执行的文件 */
struct path root, pwd; /* 根目录路径和当前工作目录路径 */
};
struct mmt_namespace 位于 ：<linux/mmt_namespace.h>
但是在2.6内核之后似乎没有这个结构体了，而是用 struct nsproxy 来代替。
以下是 struct task_struct 结构体中关于文件系统的3个属性。
/* filesystem information */
struct fs_struct *fs;
/* open file information */
struct files_struct *files;
/* namespaces */
struct nsproxy *nsproxy;
参考资料
