linux的虛擬文件系統VFS

    虛擬文件系統（virtual file system），別名虛擬文件系統開關，是linux中的一個軟件層，向用戶空間提供文件系統操做接口。

    VFS包含的系統調用包括open（2）、stat（2）、read（2）、write（2）、chmod（2）等等，這些系統調用在進程環境中執行。下面幾個重要的數據結構是VFS（虛擬文件系統中涉及到的數據結構）：

    一、Directory Entry Cache（dcache）

    VFS實現了系統調用open（2）、stat（2）、chmod（2），和其餘相似的文件系統調用。用於這些系統調用中的參數被VFS用來進行directory entry cache的對象搜索，其中directory entry cache有多個名字，好比dentry cache或者dcache。 經過dentry cache提供了一種快速查找機制，能夠快速的根據路徑名字找到具體的dentry。須要特別說明的是：dentry是存在於內存中的，不會保存到磁盤上進行永久性存儲的。

    二、inode 對象

    每個dentry對象都有一個指針指向具體的inode對象。inode是文件系統的對象，好比正規文件（regular file）、目錄（directory）、FIFO（管道）。這些inode對象存在於磁盤（塊設備文件文件系統）或者內存（linux下的僞文件系統procfs）。若是是存在於磁盤上的inode對象則須要加載到內存中去，當發生的改變須要保存到磁盤上去。一個inode對象可能有多個dentry對象指向它（由於linux下實現了硬鏈接特性）。

    爲了查找一個具體的inode對象須要在父目錄的inode上執行lookup操做。而具體的lookup方法是由inode存放的文件系統具體的實現，這個操做是由具體的文件系統進行初始化。一旦VFS擁有具體的dentry對象的時候，不少系統調用就能夠迅速完成，好比stat（2）系統調用，它就是獲取inode上的數據，根據dentry上的指針能夠迅速的找到inode對象。

    三、File對象

    打開一個文件還須要另一個操做：分配一個File結構的對象（這是linux內核端的文件描述符的實現）。新申請的File對象初始化了一個指針指向dentry對象和多個文件操做函數（好比read、write、mmap等操做）。File數據結構放在這個進程的文件描述表中（file descriptor table）。

    用戶空間的read、write等操做都是經過用戶空間態（userspace file descriptor）的描述符得到正確的File結構，而後調用File結構中的具體的方法。只要文件處於打開狀態，linux內核中就有對應的dentry對象，天然也有對象的inode對象。

    四、文件系統對象（filesystem）

    登記和卸載一個文件系統使用下面的函數調用。    

    #include <linux/fs.h>

     extern  int register_filesystem( struct file_system_type *);

     extern int unregister_filesystem(struct file_system_type *); 

    傳入的參數struct file_system_type描述了具體的文件系統。當發出一個命令，須要在你的名字空間的一個目錄上掛載一個文件系統的時候，VFS會調用具體文件中的mount方法。當mount操做完成以後，會返回一個struct dentry對象，這個時候會新建一個vfsmount對象，用於指向這個dentry對象，同時這個vfsmount對象會添加到這個掛載點上。因此當路徑解析到達這個目錄的時候，會跳轉到這個vfsmount指向的文件系統中去。

    在/proc/filesystems下能夠觀察到全部掛載的文件系統。

    如下是file_system_type結構：

    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：文件系統的名字，當前支持的文件名字有「ext2」，「ext3」，「ext4」，「msdos」等

    fs_flags：一些標誌，好比：FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE

    mount：重要的field，當一個filesystem實例化的時候須要具體的filesystem的mount方法

    五、superblock對象 

    一個superblock（超級塊）對象表明了一個掛載的文件系統。

    下面是關於超級塊的操做的數據結構：

    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);

    };

   全部的方法都沒有lock來維持，這說明了這些方法只能夠在一個進程上下文中執行，不能在中斷上下文中執行。

   六、address space對象 

   address_space對象用於對page cache中的page進行分組和管理。它能夠用來跟蹤一個文件中的page cache和一個文件中映射到進程地址空間中的文件區域。

   address space提供了大量有顯著特徵的服務，好比根據經過地址查找page，追蹤標誌爲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