VFS详解

linux内核笔记

VFS文件系统详解

简单归纳：fd只是一个整数，在open时产生。起到一个索引的作用，进程通过PCB中的文件描述符表找到该fd所指向的文件指针filp。
文件描述符的操作(如: open)返回的是一个文件描述符,内核会在每个进程空间中维护一个文件描述符表, 所有打开的文件都将通过此表中的文件描述符来引用;
而流(如: fopen)返回的是一个FILE结构指针, FILE结构是包含有文件描述符的，FILE结构函数可以看作是对fd直接操作的系统调用的封装, 它的优点是带有I/O缓存

Linux支持各种各样的文件系统格式，如ext2、ext3、reiserfs、FAT、NTFS、iso9660等等，不同的磁盘分区、光盘或其它存储设备都有不同的文件系统格式，然而这些文件系统都可以mount到某个目录下，使我们看到一个统一的目录树，各种文件系统上的目录和文件我们用ls命令看起来是一样的，读写操作用起来也都是一样的，这是怎么做到的呢？Linux内核在各种不同的文件系统格式之上做了一个抽象层，使得文件、目录、读写访问等概念成为抽象层的概念，因此各种文件系统看起来用起来都一样，这个抽象层称为虚拟文件系统（VFS，Virtual Filesystem）。上一节我们介绍了一种典型的文件系统在磁盘上的存储布局，这一节我们介绍运行时文件系统在内核中的表示。

3.1. 内核数据结构
Linux内核的VFS子系统可以图示如下：

每个进程在PCB（Process Control Block）即进程控制块中都保存着一份文件描述符表（struct files_struct files; / open file information */），文件描述符就是这个表的索引，文件描述表中每个表项都有一个指向已打开文件的指针，现在我们明确一下：已打开的文件在内核中用file结构体表示（struct file ），文件描述符表中的指针指向file结构体。

在file结构体中维护File Status Flag（file结构体的成员f_flags<打开文件的权限>）和当前读写位置（file结构体的成员f_pos）。在上图中，进程1和进程2都打开同一文件，但是对应不同的file结构体，因此可以有不同的File Status Flag和读写位置。file结构体中比较重要的成员还有f_count，表示引用计数（Reference Count），后面我们会讲到，dup、fork等系统调用会导致多个文件描述符指向同一个file结构体，例如有fd1和fd2都引用同一个file结构体，那么它的引用计数就是2，当close(fd1)时并不会释放file结构体，而只是把引用计数减到1，如果再close(fd2)，引用计数就会减到0同时调用驱动中的release函数（实测）并释放file结构体，这才真的关闭了文件。

每个file结构体都指向一个file_operations结构体，这个结构体的成员都是函数指针，指向实现各种文件操作的内核函数。比如在用户程序中read一个文件描述符，read通过系统调用进入内核，然后找到这个文件描述符所指向的file结构体，找到file结构体所指向的file_operations结构体，调用它的read成员所指向的内核函数以完成用户请求。在用户程序中调用lseek、read、write、ioctl、open等函数，最终都由内核调用file_operations的各成员所指向的内核函数完成用户请求。file_operations结构体中的release成员用于完成用户程序的close请求，之所以叫release而不叫close是因为它不一定真的关闭文件，而是减少引用计数，只有引用计数减到0才关闭文件。对于同一个文件系统上打开的常规文件来说，read、write等文件操作的步骤和方法应该是一样的，调用的函数应该是相同的，所以图中的三个打开文件的file结构体指向同一个file_operations结构体。如果打开一个字符设备文件，那么它的read、write操作肯定和常规文件不一样，不是读写磁盘的数据块而是读写硬件设备，所以file结构体应该指向不同的file_operations结构体，其中的各种文件操作函数由该设备的驱动程序实现。

每个file结构体都有一个指向dentry结构体的指针，“dentry”是directory entry（目录项）的缩写。我们传给open、stat等函数的参数的是一个路径，例如/home/akaedu/a，需要根据路径找到文件的inode。为了减少读盘次数，内核缓存了目录的树状结构，称为dentry cache，其中每个节点是一个dentry结构体，只要沿着路径各部分的dentry搜索即可，从根目录/找到home目录，然后找到akaedu目录，然后找到文件a。dentry cache只保存最近访问过的目录项，如果要找的目录项在cache中没有，就要从磁盘读到内存中。

每个dentry结构体都有一个指针指向inode结构体。inode结构体保存着从磁盘inode读上来的信息。在上图的例子中，有两个dentry，分别表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b，它们都指向同一个inode，说明这两个文件互为硬链接。inode结构体中保存着从磁盘分区的inode读上来信息，例如所有者、文件大小、文件类型和权限位等。每个inode结构体都有一个指向inode_operations结构体的指针，后者也是一组函数指针指向一些完成文件目录操作的内核函数。和file_operations不同，inode_operations所指向的不是针对某一个文件进行操作的函数，而是影响文件和目录布局的函数，例如添加删除文件和目录、跟踪符号链接等等，属于同一文件系统的各inode结构体可以指向同一个inode_operations结构体。

inode结构体有一个指向super_block结构体的指针。super_block结构体保存着从磁盘分区的超级块读上来的信息，例如文件系统类型、块大小等。super_block结构体的s_root成员是一个指向dentry的指针，表示这个文件系统的根目录被mount到哪里，在上图的例子中这个分区被mount到/home目录下。

file、dentry、inode、super_block这几个结构体组成了VFS的核心概念。对于ext2文件系统来说，在磁盘存储布局上也有inode和超级块的概念，所以很容易和VFS中的概念建立对应关系。而另外一些文件系统格式来自非UNIX系统（例如Windows的FAT32、NTFS），可能没有inode或超级块这样的概念，但为了能mount到Linux系统，也只好在驱动程序中硬凑一下，在Linux下看FAT32和NTFS分区会发现权限位是错的，所有文件都是rwxrwxrwx，因为它们本来就没有inode和权限位的概念，这是硬凑出来的。
还可以参考下:http://blog.csdn.net/shanshanpt/article/details/39026915

VFS中的缓冲

buffer缓冲区 见'块I/O与cache'
dentry缓冲区 见'Dentry原理'
inode缓冲区 http://blog.csdn.net/shanshanpt/article/details/39059411

VFS对象类型

VFS中有4个主要的对象类型，它们分别是:
* 超级块对象，代表一个具体的已安装的文件系统
* 索引节点对象，它代表一个具体的文件
* 目录项对象，它代表一个目录项，是路径的一个组成部分
* 文件对象，它表示由进程打开的文件

注意，VFS将目录作为一个文件来处理，所以不存在目录对象。举例，在/bin/vi中，/、bin、vi都属于目录项文件，虽然bin也是一个目录文件。

有三个数据结构将VFS和系统的进程紧密的联系在一起，它们分别是:file_struct、fs_struct、namespace结构体。

每个进程有一个file_struct的进程描述符表,指向OS中的打开文件表(只有一张，包含引用计数)，然后打开文件表再指向v-node表。

fs_struct结构由进程描述符的fs域指向。它包含了当前进程的当前工作目录和根目录。

namspace结构主要是包含已安装文件系统的双向链表。

fs_struct和file_struct一个进程只有一个，但是namespace一般情况下所有进程共享，但是可以在clone()时传入标识拷贝namspace结构体。

VFS参考:
1. http://www.cnblogs.com/hustcat/archive/2009/09/11/1565012.html
2. https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-vfs/
3. http://www.jianshu.com/p/57b186676fc7
4. http://www.chengweiyang.cn/2010/03/28/understand-inode/
5. http://guojing.me/linux-kernel-architecture/posts/dentry-object/

ext系列文件系统

ext2文件系统由多个磁盘分区组成，每个分区分别由引导块、超级块、i节点表和数据块组成。
引导块:总是作为文件系统的首块。引导块不为文件系统使用，只是用来包含引导操作系统的信息。因此大部分都未被使用
超级块:包含每个分区中的相关文件系统信息。如i节点表容量、文件系统中逻辑块的大小、逻辑块的数量。

ext3和ext4在ext2基础上添加了日志功能，方便宕机之后的恢复。

ext3|ext4等本地文件系统:
1. http://www.tldp.org/LDP/tlk/fs/filesystem.html
2. 对比 http://www.tldp.org/LDP/tlk/fs/filesystem.html
3. 下载下来的台湾大学的ppt

文件系统的挂载

可以通过mount命令或者cat /proc/mounts来查看
linux通过挂载将不同文件系统按一定的方式形成一个系统的的总的目录层次。
还可以通过mount/unmount系统调用在编程中实现

虚拟内存文件系统 tmpfs

虚拟内存文件系统基于内存实现，在LINUX2.4后开始出现，当内存空间不足时，甚至会使用到交换空间。
有时候会使用mount -t tmpfs newtmp tmp来挂载tmpfs到/tmp目录下来改善某些经常使用到/tmp目录的应用程序。

两个特殊的用途:
* 由内核内部挂载的隐形tmpfs文件系统，用于实现System V共享内存和共享匿名内存映射
* 挂载于/dev/shm的tmpfs文件系统，为glibc用以实现POSIX共享内存和POSIX信号量