虛擬文件系統

虛擬文件系統 Virtual File Systems（VFS）

Linux 是近年來發展起來的一種新型的操作系統，其最重要的特徵之一就是支持多種文件系統，使其更加靈活，從而與許多其它的操作系統共存。Linux支持ext，ext2，xia，minix，umsdos，msdes，fat32 ，ntfs,proc，stub，ncp，hpfs，affs 以及 ufs 等多種文件系統。為了實現這一目的，Linux 對所有的文件系統採用統一的文件界面，用户通過文件的操作界面來實現對不同文件系統的操作。對於用户來説，我們不要去關心不同文件系統的具體操作過程，而只是對一個虛擬的文件操作界面來進行操作，這個操作界面就是 Linux 的虛擬文件系統(VFS ) 。形象地説，Linux 的內核好象一個 PC 機的母板，VFS 就是上面的一個插槽，具體的文件系統就是一塊塊的接 121 卡。因此，每一個文件系統之間互不干擾，而只是調用相應的程序來實現其功能。在 Linux 的內核文件中，VFS 和具體的文件系統程序都放在 Linux\FS 中，其中每一種文件系統對應一個子目錄，另外還有一些共用的 VFS 程序。在具體的實現上，每個文件系統都有自己的文件操作數據結構file—operations。所以，VFS 作為 ILinux內核中的一個軟件層，用於給用户空間的程序提供文件系統接口，同時也提供了內核中的一個抽象功能，允許不同的文件系統很好地共存。VFS 使 Linux 同時安裝、支持許多不同類型的文件系統成為可能。VFS 擁有關於各種特殊文件系統的公共界面，如超級塊、inode、文件操作函數入口等。實際文件系統的細節，統一由 VFS 的公共界面來索引，它們對系統核心和用户進程來説是透明的。

"虛擬"二字主要有兩層含義： ^[1] 

1, 在同一個目錄結構中, 可以掛載着若干種不同的文件系統. VFS隱藏了它們的實現細節, 為使用者提供統一的接口； ^[1] 

2, 目錄結構本身並不是絕對的, 每個進程可能會看到不一樣的目錄結構. 目錄結構是由"地址空間(namespace)"來描述的, 不同的進程可能擁有不同的namespace, 不同的namespace可能有着不同的目錄結構(因為它們可能掛載了不同的文件系統)。 ^[1] 

含義: 索引節點, 對應設備上存放的一個文件。 ^[1] 

創建: 1)在超級塊被載入時, 作為根的inode一併被載入; 2)通過mknod調用創新新的索引節點; 3)在尋找文件路徑的過程中, 從設備中讀取, 並初始化(跟super_block一樣, inode結構中一部分信息是保存在設備中的, 一部分則是在內在中初始化的)。 ^[1] 

函數: i_op, 索引節點函數集, 主要包含對子inode的創建, 刪除等操作. f_op, 文件函數集, 主要包含對本inode的讀寫等操作. 在inode被創建後, 1)如果是特殊文件, 則根據對應文件的類型(包括塊設備, 字符設備, fifo, 等等)賦予特定的函數集(並不直接與設備和文件系統類型相關); 2)否則, 對應的文件系統類型會提供相應的函數集, 並且目錄和文件函數集很可能不同。 ^[1] 

VFS的使用者是進程(用户訪問文件系統總是需要啓動進程). 描述進程的task_struct結構中files指針指向了一個files_struct結構, 後者描述了進程已打開的文件集合。 ^[1] 

files_struct結構維護了一個已打開文件所對應的file結構的指針數組, 數組下標被用作用户程序操作已打開文件的句柄(通常稱作fd). files_struct還維護着已使用的fd位圖, 以便在需要打開文件時, 為其分配一個未使用的fd。 ^[1] 

詳細見參考文獻。

VFS的功能包括：紀錄可用的文件系統的類型；將設備同對應的文件系統聯繫起來；處理一些面向文件的通用操作；涉及到針對文件系統的操作時，VFS把它們影射到與控制文件、目錄以及inode相關的物理文件系統。

當某個進程發佈了一個面向文件的系統調用時，核心將調用VFS中相應的函數，這個函數處理一些與物理結構無關的操作，並且把它重定向為真實文件系統中相應的函數調用，後者則用來處理那些與物理結構相關的操作。

VFS與實際文件系統的封裝關係如下圖所示：

VFS

MINIX FS

VFSinode緩存

VFS目錄緩存

EXT FS

EXT2 FS

MSDS FS

緩衝存儲

I/O設備驅動

圖4 VFS與實際文件系統的封裝關係

VFS的源代碼集中在/usr/src/linux/fs目錄下，關於它的數據結構的描述在文件/usr/src/lunux/include/linux/fs.h中。

VFS使用了與EXT2文件系統類似的方式：超級塊和索引節點inode描述文件系統。

VFS超級塊是各種邏輯文件系統在安裝時建立的，並在這些文件系統卸載時自動刪除，它只存在於內存中。VFS中保存了系統中掛接的文件系統的鏈表以及這些文件系統對應的VFS超級塊。系統啓動後所有被初始化的文件系統都要向VFS登記。每個已安裝的文件系統由一個VFS 超塊表示，它包含如下信息：

⑴Device：表示文件系統所在塊設備的設備標誌符。例如系統中第一個IDE 硬盤的設備標誌符為0x301。

⑵Inode pointers：這個mounted inode指針指向文件系統中第一個inode。而covered inode指針指向此文件系統安裝目錄的inode。根文件系統的VFS超塊不包含covered指針。

⑶Blocksize：以字節記數的文件系統塊大小，如1024 字節。

⑷Superblock operations：指向此文件系統一組超塊操縱例程的指針。這些例程被VFS 用來讀寫inode和超塊。

⑸File System type：這是一個指向已安裝文件系統的file_system_type結構的指針。

⑹File System specific：指向文件系統所需信息的指針。

和EXT2 文件系統相同，VFS 中的每個文件、目錄等都用且只用一個VFS inode表示。每個VFS inode 中的信息通過文件系統相關例程從底層文件系統中得到。VFS inode僅存在於核心內存並且保存只要對系統有用，它們就會被保存在在VFS inode cache中。每個VFS inode包含下列域：

⑴device：包含此文件或此VFS inode 代表的任何東西的設備的設備標誌符。

⑵inode number：文件系統中唯一的inode號。在虛擬文件系統中device和inode號的組合是唯一的。

⑶mode：和EXT2 中的相同, 表示此VFS inode 的存取權限。

⑷user ids：所有者的標誌符。

⑸times：VFS inode 創建、修改和寫入時間。

⑹block size：以字節計算的文件塊大小，如1024 字節。

⑺inode operations：指向一組例程地址的指針。這些例程和文件系統相關且對此inode 執行操作，如截斷此inode表示的文件。

⑻count：使用此VFS inode 的系統部件數。一個count為0 的inode可以被自由的丟棄或重新使用。

⑼lock： 用來對某個VFS inode加鎖，如用於讀取文件系統時。

⑽dirty：表示這個VFS inode是否已經被寫過，如果是則底層文件系統需要更新。

用户可以通過兩種途徑向內核註冊文件系統：一是在編譯內核時確定可支持的文件系統類型，並在系統初始化時通過內嵌的函數調用在VFS中進行註冊；二是把某個文件系統當作一個模塊，利用模塊的加載和卸載特徵向註冊表登記類型或從註冊表註銷。

文件系統類型的註冊函數為：int register filesystem (struct file_system_type *fs)

每個文件系統都有一個初始化例程，文件系統通過它在VFS中進行註冊，即填寫file_system_type數據結構。該結構包含了文件系統的名稱及一個指向對應VFS超級塊讀取例程的地址。所有已註冊文件系統的file_system_type結構形成了一個註冊鏈表，如下圖所示：

file_system_type file_system_type file_system_type

*read_super()

name

owner

kem_mnt

next

*read_super()

name

owner

kem_mnt

next

*read_super()

name

owner

kem_mnt

next

圖5

file_system_type的數據結構在include/linux/fs.h中定義如下：

struct file_system_type {

const char *name;

//文件系統的類型名，如EXT2。這些名稱出現在Linux中的/proc/filesystems中且必須是唯一的。

int fs_flags;

//fs_flags的取值可能有很多種。例如，文件系統標識FS_REQUIRES_DEV表示文件系統只能加載在一個塊設備上；FS_SINGLE表示文件系統只能有一個超級塊；FS_NOMOUNT表示文件系統不能安裝在用户空間上。

struct super_block *(*read_super) (struct super_block *, void *, int);

//read_super所指的函數用於讀出該文件系統在外存的超級塊。

struct module *owner;

//如果實現該文件系統的程序段是由module動態載入的，則指向該module；如果實現該文件系統的程序段是在內核編譯時生成的，則owner = NULL。

struct vfsmount * kem_mnt;

//只為標識為FS_SINGLE的文件系統使用(For kernel mount)

struct file_system_type * next;

//文件系統類型鏈表的後續指針。

};

文件系統註冊後便在設備上按一定格式建立文件系統，但是此時設備上的文件和節點都還不是可訪問的，還不能按照一定的路徑名訪問其中特定的節點或文件。只有把它安裝到文件系統中某個節點上，才能使設備上的文件和節點可被訪問。因此註冊了wej系統只代表Linux系統支持這種文件系統的應用，要真正使用該文件系統還必須安裝它。

文件系統的安裝必須調用mount命令，把其他子系統安裝到已經存在於文件系統的空閒節點上。該命令使用系統的mount()調用：asmlinkage ling sys_mount(char * dev_name, char * dir_name, char * type, unsigned long flags, void * data)

其中dev_name是要安裝的文件系統的磁盤分區的路徑名，如/dev/hda5。參數dir_name是要安裝的文件系統的目錄名；type指定磁盤分區上的文件系統類型；flags指定該文件系統如何被安裝；data是指向任意的信息結構的指針，其內容依賴於被安裝的特定文件系統類型。

使用mount命令後，VFS通過file_systems在file_system_type鏈表中根據指定的文件系統名稱搜索文件系統類型信息。而函數get_fs_type()根據具體文件系統的類型名在內核中找到相應的file_system_type結構:

struct file_system_type *get_fs_type(const char *name)

{

struct file_system_type *fs;

read_lock(&file_systems_lock);

fs = *(find_filesystem(name));

if (!fs && (request_module(name) == 0)) {

read_lock(&file_systems_lock);

fs = *(find_filesystem(name));

if (fs && !try_inc_mod_count(fs->owner))

fs = NULL;

read_unlock(&file_systems_lock);

}

return fs;

}

其中函數find_filesystem(name)掃描file_system對列，找到所需文件系統類型的數據結構。

超級用户卸載文件系統使用umount命令。

卸載過程必須檢查文件系統及其超級塊的狀態。如果文件系統正被其他進程使用該文件系統就不能被卸載。如果文件系統的文件或目錄正在使用，則VFS索引節點緩存中可能包含相應的VFS索引節點。檢查代碼在該緩存中，根據文件系統所在的設備標識符查找是否有來自該文件系統的VFS索引節點。如果有且使用計數大於0則説明該文件系統正在使用，不能被刪除。如果文件系統的超級塊為“髒”，即被修改，則應先將它寫回到磁盤上。

文件系統允許在被刪除後，對應的VFS超級塊被釋放，vfsmount數據結構從vfsmntlist鏈表中斷開並被釋放。