Linux VFS 虛擬文件系統數據結構
虛擬文件系統node
虛擬文件系統
虛擬文件系統（VFS）是linux內核和具體I/O設備之間的封裝的一層共通訪問接口，經過這層接口，linux內核能夠以同一的方式訪問各類I/O設備。linux
虛擬文件系統(VFS)是linux內核和存儲設備之間的抽象層,主要有如下好處：緩存
--簡化了應用程序的開發：應用經過統一的系統調用訪問各類存儲介質數據結構
--簡化了新文件系統加入內核的過程：新文件系統只要實現VFS的各個接口便可，不須要修改內核部分app
虛擬文件中的4個對象socket
(1) 超級塊 (2)索引節點 (3)目錄項 (4)文件對象函數
超級塊
它通常存儲在磁盤的特定扇區中，可是對於那些基於內存的文件系統(好比proc,sysfs)ui
超級塊是在使用時建立在內存中的atom
超級塊的定義在：<linux/fs.h>spa
/*
* 超級塊結構中定義的字段很是多，
* 這裏只介紹一些重要的屬性
*/
struct super_block {
struct list_head s_list; /* 指向全部超級塊的鏈表 */
const struct super_operations *s_op; /* 超級塊方法 */
struct dentry *s_root; /* 目錄掛載點 */
struct mutex s_lock; /* 超級塊信號量 */
int s_count; /* 超級塊引用計數 */
struct list_head s_inodes; /* inode鏈表 */
struct mtd_info *s_mtd; /* 存儲磁盤信息 */
fmode_t s_mode; /* 安裝權限 */
};
/*
* 其中的 s_op 中定義了超級塊的操做方法
* 這裏只介紹一些相對重要的函數
*/
struct super_operations {
struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); /* 建立和初始化一個索引節點對象 */
void (*destroy_inode)(struct inode *); /* 釋放給定的索引節點 */
void (*dirty_inode) (struct inode *); /* VFS在索引節點被修改時會調用這個函數 */
int (*write_inode) (struct inode *, int); /* 將索引節點寫入磁盤，wait表示寫操做是否須要同步 */
void (*drop_inode) (struct inode *); /* 最後一個指向索引節點的引用被刪除後，VFS會調用這個函數 */
void (*delete_inode) (struct inode *); /* 從磁盤上刪除指定的索引節點 */
void (*put_super) (struct super_block *); /* 卸載文件系統時由VFS調用，用來釋放超級塊 */
void (*write_super) (struct super_block *); /* 用給定的超級塊更新磁盤上的超級塊 */
int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait); /* 使文件系統中的數據與磁盤上的數據同步 */
int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *); /* VFS調用該函數獲取文件系統狀態 */
int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *); /* 指定新的安裝選項從新安裝文件系統時，VFS會調用該函數 */
void (*clear_inode) (struct inode *); /* VFS調用該函數釋放索引節點，並清空包含相關數據的全部頁面 */
void (*umount_begin) (struct super_block *); /* VFS調用該函數中斷安裝操做 */
};
索引節點
索引節點是VFS中的核心概念，它包含內核在操做文件或目錄時須要的所有信息。
一個索引節點表明文件系統中的一個文件(這裏的文件不只是指咱們平時所認爲的普通的文件，還包括目錄，特殊設備文件等等)。
索引節點和超級塊同樣是實際存儲在磁盤上的，當被應用程序訪問到時纔會在內存中建立。
索引節點定義在：<linux/fs.h>
/*
* 索引節點結構中定義的字段很是多，
* 這裏只介紹一些重要的屬性
*/
struct inode {
struct hlist_node i_hash; /* 散列表，用於快速查找inode */
struct list_head i_list; /* 索引節點鏈表 */
struct list_head i_sb_list; /* 超級塊鏈表超級塊 */
struct list_head i_dentry; /* 目錄項鍊表 */
unsigned long i_ino; /* 節點號 */
atomic_t i_count; /* 引用計數 */
unsigned int i_nlink; /* 硬連接數 */
uid_t i_uid; /* 使用者id */
gid_t i_gid; /* 使用組id */
struct timespec i_atime; /* 最後訪問時間 */
struct timespec i_mtime; /* 最後修改時間 */
struct timespec i_ctime; /* 最後改變時間 */
const struct inode_operations *i_op; /* 索引節點操做函數 */
const struct file_operations *i_fop; /* 缺省的索引節點操做 */
struct super_block *i_sb; /* 相關的超級塊 */
struct address_space *i_mapping; /* 相關的地址映射 */
struct address_space i_data; /* 設備地址映射 */
unsigned int i_flags; /* 文件系統標誌 */
void *i_private; /* fs 私有指針 */
};
/*
* 其中的 i_op 中定義了索引節點的操做方法
* 這裏只介紹一些相對重要的函數
*/
struct inode_operations {
/* 爲dentry對象創造一個新的索引節點 */
int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
/* 在特定文件夾中尋找索引節點，該索引節點要對應於dentry中給出的文件名 */
struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
/* 建立硬連接 */
int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
/* 從一個符號連接查找它指向的索引節點 */
void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
/* 在 follow_link調用以後，該函數由VFS調用進行清除工做 */
void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *);
/* 該函數由VFS調用，用於修改文件的大小 */
void (*truncate) (struct inode *);
};
經過 inode (inode->i_ino)號和相關超級塊 inode->i_sb可獲取邏輯塊組號：方式以下
block_group = (inode->i_ino - 1) / EXT2_INODES_PER_GROUP(inode->i_sb);
目錄項
和超級塊和索引節點不一樣，目錄項並非實際存在於磁盤上的。
在使用的時候在內存中建立目錄項對象，其實經過索引節點已經能夠定位到指定的文件，
可是索引節點對象的屬性很是多，在查找，比較文件時，直接用索引節點效率不高，因此引入了目錄項的概念。
每一個目錄項對象都有三種狀態：被使用，未使用和負狀態
- 被使用：對應一個有效的索引節點，而且該對象由一個或多個使用者
- 未使用：對應一個有效的索引節點，可是VFS當前並無使用這個目錄項
- 負狀態：沒有對應的有效索引節點（可能索引節點被刪除或者路徑不存在了）
目錄項的目的就是提升文件查找，比較的效率，因此訪問過的目錄項都會緩存在slab中。
目錄項定義在：<linux/dcache.h>
/* 目錄項對象結構 */
struct dentry {
atomic_t d_count; /* 使用計數 */
unsigned int d_flags; /* 目錄項標識 */
spinlock_t d_lock; /* 單目錄項鎖 */
int d_mounted; /* 是否登陸點的目錄項 */
struct inode *d_inode; /* 相關聯的索引節點，經過這個索引節點就能夠讀取到文件數據 */
struct hlist_node d_hash; /* 散列表 */
struct dentry *d_parent; /* 父目錄的目錄項對象 */
struct qstr d_name; /* 目錄項名稱 */
struct list_head d_lru; /* 未使用的鏈表 */
/*
* 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; /* 子目錄鏈表 */
struct list_head d_alias; /* 索引節點別名鏈表 */
unsigned long d_time; /* 重置時間 */
const struct dentry_operations *d_op; /* 目錄項操做相關函數 */
struct super_block *d_sb; /* 文件的超級塊 */
void *d_fsdata; /* 文件系統特有數據 */
unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* 短文件名 */
};
/* 目錄項相關操做函數 */
struct dentry_operations {
/* 該函數判斷目錄項對象是否有效。VFS準備從dcache中使用一個目錄項時會調用這個函數 */
int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
/* 爲目錄項對象生成hash值 */
int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
/* 比較 qstr 類型的2個文件名 */
int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
/* 當目錄項對象的 d_count 爲0時，VFS調用這個函數 */
int (*d_delete)(struct dentry *);
/* 當目錄項對象將要被釋放時，VFS調用該函數 */
void (*d_release)(struct dentry *);
/* 當目錄項對象丟失其索引節點時（也就是磁盤索引節點被刪除了），VFS會調用該函數 */
void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
};
文件對象
文件對象表示進程已打開的文件，從用戶角度來看，咱們在代碼中操做的就是一個文件對象。
文件對象反過來指向一個目錄項對象（目錄項反過來指向一個索引節點）
其實只有目錄項對象才表示一個已打開的實際文件，雖然一個文件對應的文件對象不是惟一的，但其對應的索引節點和目錄項對象倒是惟一的。
文件對象的定義在: <linux/fs.h>
//路徑及結構體，包含目錄項
struct path {
struct vfsmount *mnt; //文件系統掛載使用
struct dentry *dentry;
};
/*
* 文件對象結構中定義的字段很是多，
* 這裏只介紹一些重要的屬性
*/
struct file {
union {
struct list_head fu_list; /* 文件對象鏈表 */
struct rcu_head fu_rcuhead; /* 釋放以後的RCU鏈表 */
} f_u;
struct path f_path; /* 包含的目錄項 */
const struct file_operations *f_op; /* 文件操做函數 */
atomic_long_t f_count; /* 文件對象引用計數 */
};
/*
* 其中的 f_op 中定義了文件對象的操做方法
* 這裏只介紹一些相對重要的函數
*/
struct file_operations {
/* 用於更新偏移量指針,由系統調用lleek()調用它 */
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
/* 由系統調用read()調用它 */
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
/* 由系統調用write()調用它 */
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
/* 由系統調用 aio_read() 調用它 */
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
/* 由系統調用 aio_write() 調用它 */
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
/* 將給定文件映射到指定的地址空間上,由系統調用 mmap 調用它 */
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
/* 建立一個新的文件對象,並將它和相應的索引節點對象關聯起來 */
int (*open) (struct inode *, struct file *);
/* 當已打開文件的引用計數減小時,VFS調用該函數 */
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
};
5 四個對象之間關係圖
VFS 通用文件模型中包含如下四種元數據結構：
-
超級塊對象(superblock object)，用於存放已經註冊的文件系統的信息。好比ext2，ext3等這些基礎的磁盤文件系統，還有用於讀寫socket的socket文件系統，以及當前的用於讀寫cgroups配置信息的 cgroups 文件系統等。
-
索引節點對象(inode object)，用於存放具體文件的信息。對於通常的磁盤文件系統而言，inode 節點中通常會存放文件在硬盤中的存儲塊等信息；對於socket文件系統，inode會存放socket的相關屬性，而對於cgroups這樣的特殊文件系統，inode會存放與 cgroup 節點相關的屬性信息。這裏面比較重要的一個部分是一個叫作 inode_operations 的結構體，這個結構體定義了在具體文件系統中建立文件，刪除文件等的具體實現。
-
文件對象(file object)，一個文件對象表示進程內打開的一個文件，文件對象是存放在進程的文件描述符表裏面的。一樣這個文件中比較重要的部分是一個叫 file_operations 的結構體，這個結構體描述了具體的文件系統的讀寫實現。當進程在某一個文件描述符上調用讀寫操做時，實際調用的是 file_operations 中定義的方法。 對於普通的磁盤文件系統，file_operations 中定義的就是普通的塊設備讀寫操做；對於socket文件系統，file_operations 中定義的就是 socket 對應的 send/recv 等操做；而對於cgroups這樣的特殊文件系統，file_operations 中定義的就是操做 cgroup 結構體等具體的實現。
-
目錄項對象(dentry object)，在每一個文件系統中，內核在查找某一個路徑中的文件時，會爲內核路徑上的每個份量都生成一個目錄項對象，經過目錄項對象可以找到對應的 inode 對象，目錄項對象通常會被緩存，從而提升內核查找速度。
- 1. 虛擬文件系統之VFS的數據結構(上)
- 2. 虛擬文件系統VFS
- 3. 虛擬文件系統之VFS的數據結構(下)
- 4. VFS虛擬文件系統
- 5. linux的虛擬文件系統VFS
- 6. Linux內核--虛擬文件系統VFS
- 7. Linux虛擬文件系統–VFS簡介
- 8. Linux中VFS 虛擬文件系統
- 9. Linux虛擬文件系統VFS的相關數據結構和操作
- 10. （轉）虛擬文件系統(VFS)淺析
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每一个你不满意的现在，都有一个你没有努力的曾经。
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- 6. Linux內核--虛擬文件系統VFS
- 7. Linux虛擬文件系統–VFS簡介
- 8. Linux中VFS 虛擬文件系統
- 9. Linux虛擬文件系統VFS的相關數據結構和操作
- 10. （轉）虛擬文件系統(VFS)淺析