Linux文件系统的设计

总论：

linux的文件系统设计非常优秀，总的来讲有两大部分，第一部分就是树形的组织结构，第二部分就是vfs，树形的组织结构组织了文件系统的表象，用户非常方便的使用，而vfs是文件系统的实现机理，它处于内核态，不但实现了树形结构的mount机制，并且还提供了一个统一的接口用来訪问设备。
一、Linux文件系统概述

1、Linux文件系统组织

Linux中使用树来组织文件系统。整个文件系统构成了一颗树，这棵树以/为根。整个系统有且仅仅有这一颗文件树。这棵树描写叙述了文件系统的拓扑结构，没有不论什么文件系统的类型信息。
2、mount机制

linux使用mount机制扩展文件系统，使不同类型的文件系统能够挂载在系统的文件树的不论什么位置。mount机制使文件树有了类型属性，支持了不同类型的文件系统的挂载。
如图所看到的。


能够看到假设不考虑挂载点，整个文件系统就是一棵树，假设考虑了挂载点，这棵树原来是嫁接而成的，能够包括各种不同种类的文件系统。正如桥片扩展了总线一样，挂载点扩展了文件树，和扩展总线不同的是，随意文件夹都能够是挂载点，可是不是随意芯片都是能够作为桥的。(网桥/交换机扩展以太网也是一样的道理，和mount机制更加相似一些，由于你仅仅须要插入一个多port网卡就能够作为一个网桥了。)
3、mount机制的优点

mount能够屏蔽文件系统的类型，全部类型的文件系统共享一棵树，可是实现却能够不同样。用户进程能够使用同样的系统调用接口訪问全部的文件系统，而不必在意訪问的文件是什么类型的。mount机制使一棵文件树得以多样化，然而又能够向用户屏蔽这样的多样化。这样的多样化是通过vfs实现的。
4、单棵树组织+mount扩展

Linux的文件系统和磁盘并不绑定，文件系统就是一棵树，是一个虚拟的概念，没有介质，没有容量，没有读写规则，唯独在挂载(mount)发生的时候，也就是详细的文件系统挂载的时候，某个挂载点才和介质建立联系，然而此时对于文件系统来讲仍然没有容量的概念，容量不过挂载于此文件夹的磁盘设备的属性，假设磁盘空间满了，仍然能够通过在此磁盘的一个文件夹上mount一个新的文件系统来解决，而新的文件系统在一块新的磁盘上。
5、和Windows文件系统的对照

Windows显式的分离了各种文件系统，尽管Windows在操作接口上也吸取了Unix中“一切皆文件”的思想。在接口级别，windows也使用同样的API来訪问各类文件，比方ReadFile，WriteFile等，然而在操作级别，windows却没有实现一致性，在操作级别，windows的文件系统主要指以磁盘为介质的文件系统，因此windows没有必要用一棵树包括全部的文件，而是区分成了各个盘符，然而这样的方式有个弊端，那就是不易扩展，由于单个盘符限制了容量，磁盘直接和文件系统绑定。因此，Windows不以单棵树树来组织文件系统，windows非常难用mount来扩展文件系统。
二、VFS概述

1、VFS

虚拟文件系统或者虚拟文件插口，叫做插口更合适，也是官方的叫法，vfs向上和用户进程文件訪问系统调用接口，如open，read，write等，向下和详细不同文件系统的实现接口，如read，write的不同实现。例如以下图所看到的：

2、VFS的重要性

VFS屏蔽了详细文件的实现细节，向上提供统一的操作接口。通过VFS能够实现随意的文件系统，这些文件系统通过文件訪问系统调用都能够訪问。在操作系统内核中，vfs是对离用户态近期的一层，由于它的存在，linux的使用才变得方便。实际上，正是vfs实现了树形的文件系统组织，然而vfs的作用还不止这些，设备的文件抽象也是通过vfs来实现的。
3、VFS举例

3.1、procfs
3.2、sysfs
3.3、cpusetfs
3.4、ntfs
3.5、extX
3.6、随意你想实现的。
须要做什么呢？仅仅须要在一大堆switch函数例程中实现你的逻辑就可以，就是说实现file_operations函数集合就可以。注意，在linux中，文件和存储没有必定关系，实际上没有不论什么关系，也就是说linux中的文件有的不须要被存储，比方proc文件夹中的文件，仅仅有在你read它的时候，数据才从内核出来，这个数据是内核逻辑提供的，而是可能实时变化，linux根本没有必要在还有一个地方再存储它。
4、一个重要结论

由于linux的树形文件系统是全然抽象的，因此它不和不论什么介质进行绑定，仅存在于内核其中，内核仅仅要起来，这个虚拟的树就存在了，仅仅是此时仅仅有树根，然而linux此时却能够挂载随意类型的文件系统到这个树根，这样就能够实现非常方便的定制，linux能够在initrd中挂载随意文件系统到树根，这是由于内核和文件系统是分离的概念，内核启动并不依赖不论什么文件系统。