linux的虚拟文件系统VFS

虚拟文件系统（virtual file system），别名虚拟文件系统开关，是linux中的一个软件层，向用户空间提供文件系统操作接口。

VFS包含的系统调用包括open（2）、stat（2）、read（2）、write（2）、chmod（2）等等，这些系统调用在进程环境中执行。下面几个重要的数据结构是VFS（虚拟文件系统中涉及到的数据结构）：

1、Directory Entry Cache（dcache）

VFS实现了系统调用open（2）、stat（2）、chmod（2），和其他类似的文件系统调用。用于这些系统调用中的参数被VFS用来进行directory entry cache的对象搜索，其中directory entry cache有多个名字，比如dentry cache或者dcache。 通过dentry cache提供了一种快速查找机制，可以快速的根据路径名字找到具体的dentry。需要特别说明的是：dentry是存在于内存中的，不会保存到磁盘上进行永久性存储的。

2、inode 对象

每一个dentry对象都有一个指针指向具体的inode对象。inode是文件系统的对象，比如正规文件（regular file）、目录（directory）、FIFO（管道）。这些inode对象存在于磁盘（块设备文件文件系统）或者内存（linux下的伪文件系统procfs）。如果是存在于磁盘上的inode对象则需要加载到内存中去，当发生的改变需要保存到磁盘上去。一个inode对象可能有多个dentry对象指向它（因为linux下实现了硬连接特性）。

为了查找一个具体的inode对象需要在父目录的inode上执行lookup操作。而具体的lookup方法是由inode存放的文件系统具体的实现，这个操作是由具体的文件系统进行初始化。一旦VFS拥有具体的dentry对象的时候，很多系统调用就可以迅速完成，比如stat（2）系统调用，它就是获取inode上的数据，根据dentry上的指针可以迅速的找到inode对象。

3、File对象

打开一个文件还需要另外一个操作：分配一个File结构的对象（这是linux内核端的文件描述符的实现）。新申请的File对象初始化了一个指针指向dentry对象和多个文件操作函数（比如read、write、mmap等操作）。File数据结构放在这个进程的文件描述表中（file descriptor table）。

用户空间的read、write等操作都是通过用户空间态（userspace file descriptor）的描述符获得正确的File结构，然后调用File结构中的具体的方法。只要文件处于打开状态，linux内核中就有对应的dentry对象，自然也有对象的inode对象。

4、文件系统对象（filesystem）

登记和卸载一个文件系统使用下面的函数调用。

#include <linux/fs.h>

    extern int register_filesystem(struct file_system_type *);

extern int unregister_filesystem(struct file_system_type *);

传入的参数struct file_system_type描述了具体的文件系统。当发出一个命令，需要在你的名字空间的一个目录上挂载一个文件系统的时候，VFS会调用具体文件中的mount方法。当mount操作完成之后，会返回一个struct dentry对象，这个时候会新建一个vfsmount对象，用于指向这个dentry对象，同时这个vfsmount对象会添加到这个挂载点上。所以当路径解析到达这个目录的时候，会跳转到这个vfsmount指向的文件系统中去。

在/proc/filesystems下可以观察到所有挂载的文件系统。

以下是file_system_type结构：

struct file_system_type {

    const char *name;
    int fs_flags;
    struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
                       const char *, void *);
    void (*kill_sb) (struct super_block *);
    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;

};

name：文件系统的名字，当前支持的文件名字有“ext2”，“ext3”，“ext4”，“msdos”等

fs_flags：一些标志，比如：FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE

mount：重要的field，当一个filesystem实例化的时候需要具体的filesystem的mount方法

5、superblock对象 

一个superblock（超级块）对象代表了一个挂载的文件系统。

下面是关于超级块的操作的数据结构：

struct super_operations {

        struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
        void (*destroy_inode)(struct inode *);
        void (*dirty_inode) (struct inode *, int flags);
        int (*write_inode) (struct inode *, int);
        void (*drop_inode) (struct inode *);
        void (*delete_inode) (struct inode *);
        void (*put_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 dentry *);
        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 (*nr_cached_objects)(struct super_block *);
        void (*free_cached_objects)(struct super_block *, int);

};

所有的方法都没有lock来维持，这说明了这些方法只可以在一个进程上下文中执行，不能在中断上下文中执行。

   6、address space对象 

address_space对象用于对page cache中的page进行分组和管理。它可以用来跟踪一个文件中的page cache和一个文件中映射到进程地址空间中的文件区域。

address space提供了大量有显著特征的服务，比如根据通过地址查找page，追踪标志为Dirty或者WriteBack的page。

Further Reading：

1.Creating Linux virtual filesystems. 2002. http://lwn.net/Articles/13325/

2.A tour of the Linux VFS by Michael K. Johnson. 1996. http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/fs/vfstour.html