VFS

概念

虚拟文件系统（也称为虚拟文件系统交换机）是内核中的软件层，为用户空间程序提供文件系统接口。它还在内核中提供了一个抽象，允许不同的文件系统实现共存

"一切皆文件"是Linux的基本哲学之一，不仅是普通的文件，包括目录、字符设备、块设备、套接字等，都可以以文件的方式被对待。实现这一行为的基础，正是Linux的虚拟文件系统机制。。

还记得系统调用吧？你可以VFS类似给各种文件系统抽象出来了一个系统调用，把各种类型的文件系统封装成对上层不可见的，同时留出一些api。示意图如下

VFS设计

Linux为了实现这种VFS系统，采用面向对象的设计思路，主要抽象了四种对象类型：

超级块对象：代表一个已安装的文件系统。 (struct super_block)
索引节点对象：代表具体的文件。 (struct inode)
目录项对象：代表一个目录项，是文件路径的一个组成部分。 (struct denrtry)
文件对象：代表进程打开的文件。 (struct file)

容易混淆的地方

Linux将目录当做文件对象来处理，是另一种形式的文件，它里面包含了一个或多个目录项。而目录项是单独抽象的对象，主要包括文件名和索引节点号。因为目录是可以层层嵌套，以形成文件路径，而路径中的每一部分，其实就是目录项。

struct super_block (代表一个已安装的文件系统)

include/linux/fs.h

超级块代表的是一种文件系统类型，比如ext3、ext4都有对应的super_block结构体。一台机器可以有多块硬盘，一个硬盘可以有多个分区，每个分区都有自己的文件系统类型，超级块同时也维护跟这个文件系统有关的各种信息。 各个super_block由链表组织

struct super_block {
	struct list_head	s_list;	//通过该变量链接到超级块全局链表super_blocks上
	dev_t			s_dev;		//该文件系统对应的块设备标识符
	unsigned char		s_blocksize_bits;
	unsigned long		s_blocksize; //该文件系统的block size
	loff_t			s_maxbytes;	//文件系统支持的最大文件
	struct file_system_type	*s_type; //文件系统类型，比如ext3、ext4
	const struct super_operations	*s_op; //超级块的操作函数
	const struct dquot_operations	*dq_op; //文件系统限额相关操作
	const struct quotactl_ops	*s_qcop; //磁盘限额
	const struct export_operations *s_export_op;
	unsigned long		s_flags; //文件系统的mount标记
	unsigned long		s_iflags;	/* internal SB_I_* flags */
	unsigned long		s_magic;  //该文件系统类型的魔术字
	struct dentry		*s_root; //全局根目录的dentry项
	...
	struct block_device	*s_bdev;  //对应的块设备
	struct backing_dev_info *s_bdi; //超级块对应的BDI设备
	struct mtd_info		*s_mtd;
	//通过该变量，链接到file_system_type中的fs_supers链表
	struct hlist_node	s_instances;
	...
	char			s_id[32];	/* Informational name */
	uuid_t			s_uuid;		/* UUID tune2fs -l可以查看*/

	void 			*s_fs_info;	//指向具体文件系统超级块结构，如ext4_sb_info
	...
	const struct dentry_operations *s_d_op; //该超级块默认的目录项操作函数
	...
	struct shrinker s_shrink;	//每个超级块注册的shrink函数，用于内存回收
	...
	/* AIO completions deferred from interrupt context */
	struct workqueue_struct *s_dio_done_wq;
	...
	//该超级块对应的未在使用dentry列表
	struct list_lru		s_dentry_lru ____cacheline_aligned_in_smp;
	//该超级块对应的未在使用inode列表
	struct list_lru		s_inode_lru ____cacheline_aligned_in_smp;
	...
	/* s_inode_list_lock protects s_inodes */
	spinlock_t		s_inode_list_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
	struct list_head	s_inodes;	//该超级块包含的所有inode

	spinlock_t		s_inode_wblist_lock;
	struct list_head	s_inodes_wb;	//该超级块正在回写的inode
};

ps：超级块的信息是可读的！通过cat 某个文件可以human readab。具体是哪个我忘了。。。在油管一个视频上看到的

const struct dentry_operations *s_d_op 存放着文件系统的目录项操作函数（函数指针）

struct file_system_type

超级块是实装的文件系统，file_system_type专注于描述这个这个文件系统的类型，由链表组织

每种文件系统都要把自己的信息挂到super_blocks这么一个全局链表上

file_system_type挂载到super_block

内核中是分成2个步骤完成：

首先每个文件系统必须通过register_filesystem函数将自己的file_system_type挂接到file_systems这个全局变量上，

然后调用kern_mount函数把自己的文件相关操作函数集合表挂到super_blocks上。每种文件系统类型的读超级块的例程（get_sb）必须由自己实现。

struct file_system_type {
	const char *name; //文件系统名称，如ext4，xfs
	...
	struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
		       const char *, void *); //对应的mount函数
	void (*kill_sb) (struct super_block *);
	struct module *owner;
	struct file_system_type * next; //通过该变量将系统上所有文件系统类型链接到一起
	struct hlist_head fs_supers; //该文件系统类型锁包含的超级块对象
	...
};

struct inode （物理Device storage的具体对象）

当创建一个文件的时候，就给文件分配了一个inode。一个inode只对应一个实际文件，一个文件也会只有一个inode。inodes最大数量就是文件的最大数量。

inode结构中的静态信息取自物理设备上的文件系统，由文件系统指定的函数填写，它只存在于内存中，可以通过inode缓存访问。

struct inode {
    struct list_headi_hash;
    struct list_headi_list;
    struct list_headi_dentry;
    struct list_headi_dirty_buffers;
    unsigned longi_ino; /*每一个inode都有一个序号，经由super block结构和其序号，我们可以很轻易的找到这个inode。*/
    atomic_t i_count; /*在Kernel里，很多的结构都会记录其reference count，以确保如果某个结构正在使用，它不会被不小心释放掉，i_count就是其reference count。*/
    kdev_t i_dev; /* inode所在的device代码 */
    umode_t i_mode; /* inode的权限 */
    nlink_t i_nlink; /* hard link的个数 */
    uid_t i_uid; /* inode拥有者的id */
    gid_t i_gid; /* inode所属的群组id */
    kdev_t i_rdev; /* 如果inode代表的是device的话，那此字段将记录device的代码 */ 
    off_t i_size; /* inode所代表的档案大小 */
    time_t i_atime; /* inode最近一次的存取时间 */
    time_t i_mtime; /* inode最近一次的修改时间 */
    time_t i_ctime; /* inode的产生时间 */ 
    unsigned long i_blksize; /* inode在做IO时的区块大小 */
    unsigned long i_blocks; /* inode所使用的block数，一个block为512 byte*/
    unsigned long i_version; /* 版本号码 */ 
    unsigned short i_bytes;
    struct semaphore i_sem;
    struct rw_semaphore i_truncate_sem;
    struct semaphore i_zombie;
    struct inode_operations *i_op;
    struct file_operations *i_fop;/* former ->i_op->default_file_ops */
    struct super_block *i_sb; /* inode所属档案系统的super block */
    wait_queue_head_t i_wait;
    struct file_lock *i_flock; /* 用来做file lock */
    struct address_space *i_mapping;
    struct address_space i_data;
    struct dquot *i_dquot [MAXQUOTAS];
    /* These three should probably be a union */
    struct pipe_inode_info *i_pipe;
    struct block_device *i_bdev;
    struct char_device *i_cdev;
    unsigned longi_dnotify_mask; /* Directory notify events */
    struct dnotify_struct *i_dnotify; /* for directory notifications */
    unsigned long i_state; /* inode目前的状态，可以是I_DIRTY，I_LOCK和 I_FREEING的OR组合 */ 
    unsigned int i_flags; /* 记录此inode的参数 */ 
    unsigned char i_sock; /* 用来记录此inode是否为socket */ 
    atomic_t i_write count;
    unsigned int i_attr_flags; /* 用来记录此inode的属性参数 */ 
    __u32 i_generation;
    union {
        struct minix_inode_info minix_i;
        struct ext2_inode_info ext2_i;
        struct ext3_inode_info ext3_i;
        struct hpfs_inode_info hpfs_i;
        struct ntfs_inode_info ntfs_i;
        struct msdos_inode_info msdos_i;
        struct umsdos_inode_info umsdos_i;
        struct iso_inode_info isofs_i;
        struct sysv_inode_info sysv_i;
        struct affs_inode_info affs_i;
        struct ufs_inode_info ufs_i;
        struct efs_inode_info efs_i;
        struct romfs_inode_info romfs_i;
        struct shmem_inode_info shmem_i;
        struct coda_inode_info coda_i;
        struct smb_inode_info smbfs_i;
        struct hfs_inode_info hfs_i;
        struct adfs_inode_info adfs_i;
        struct qnx4_inode_info qnx4_i;
        struct reiserfs_inode_info reiserfs_i;
        struct bfs_inode_info bfs_i;
        struct udf_inode_info udf_i;
        struct ncp_inode_info ncpfs_i;
        struct proc_inode_info proc_i;
        struct socketsocket_i;
        struct usbdev_inode_info usbdev_i;
        struct jffs2_inode_infojffs2_i;
        void *generic_ip;
    } u;
};

虽然每个文件都有相应的inode结点，但是只有在需要的时候系统才会在内存中为其建立相应的inode数据结构，建立的inode结构将形成一个链表，我们可以通过遍历这个链表去得到我们需要的文件结点,

struct dentry （主存中的一个实体）

为什么引入dentry

引入目录项结构是很有必要的，因为同一个文件有且仅有一个inode对象表示，而由于硬链接的存在，对同一文件的访问可以通过不同的文件名，所以中间需要引入目录项

struct dentry {
	atomic_t d_count;				/* 目录项对象引用计数器 */
	unsigned int d_flags;			/* 目录项高速缓存标志 */
	spinlock_t d_lock;				/* 保护目录项对象的自旋锁 */
	struct inode *d_inode;			/* 与文件名关联的索引节点 */
	struct hlist_node d_hash;		/* 指向散列表表项链表的指针 */
	struct dentry *d_parent;		/* 父目录的目录项对象 */
	struct qstr d_name;				/* 文件名 */
	struct list_head d_lru;			/* 用于未使用目录项链表的指针 */
	union {
		struct list_head d_child;	/* 对目录而言，用于同一父目录中的目录项链表的指针 */
	 	struct rcu_head d_rcu;		/* 回收目录项对象时，由RCU描述符使用 */
	} d_u;
	struct list_head d_subdirs;		/* 对目录而言，子目录项链表的头 */
	struct list_head d_alias;		/* 用于与同一索引节点（别名）相关的目录项链表的指针 */
	unsigned long d_time;			/* 由d_revalidate方法使用 */
	struct dentry_operations *d_op;	/* 目录项方法 */
	struct super_block *d_sb;		/* 文件的超级块对象 */
	void *d_fsdata;					/* 依赖于文件系统的数据 */
	struct dcookie_struct *d_cookie;/* 指向内核配置文件使用的数据结构的指针 */
	int d_mounted;					/* 对目录项而言，用于记录安装该目录项的文件系统数的计数器 */
	unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN];	/* 存放短文件名的空间 */
};

目录项的三种状态

1.正在使用 d_count > 0

2.未被使用 d_count == 0

3.负状态 d_inode == NULL 目录项对象没有对应的有效索引节点

struct file (被打开的文件对象)

include/Linux/fs.h

文件结构体代表一个打开的文件，系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个关联的 struct file。它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。在内核创建和驱动源码中，struct file的指针通常被命名为file或filp

struct file {
　　union {
　　      struct list_head fu_list; //文件对象链表指针linux/include/linux/list.h
　　      struct rcu_head fu_rcuhead; //RCU(Read-Copy Update)是Linux 2.6内核中新的锁机制
　　 } f_u;
　　struct path f_path; //包含dentry和mnt两个成员，用于确定文件路径
　　#define f_dentry f_path.dentry //f_path的成员之一，当前文件的dentry结构
　　#define f_vfsmnt f_path.mnt //表示当前文件所在文件系统的挂载根目录
　　const struct file_operations *f_op; //与该文件相关联的操作函数
　　atomic_t f_count; //文件的引用计数(有多少进程打开该文件)
　　unsigned int f_flags; //对应于open时指定的flag
　　mode_t f_mode; //读写模式：open的mod_t mode参数
       loff_t     f_pos;//当前文件指针位置
　　off_t f_pos; //该文件在当前进程中的文件偏移量
　　struct fown_struct f_owner; //该结构的作用是通过信号进行I/O时间通知的数据。
　　unsigned int f_uid, f_gid;// 文件所有者id，所有者组id
　　struct file_ra_state f_ra; //在linux/include/linux/fs.h中定义，文件预读相关
　　unsigned long f_version;//记录文件的版本号，每次使用之后递增
　　#ifdef CONFIG_SECURITY
　　     void *f_security;
　　#endif
　　/* needed for tty driver, and maybe others */
　　void *private_data;//使用这个成员来指向分配的数据
　　#ifdef CONFIG_EPOLL
　　/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
　　    struct list_head f_ep_links;
　　    spinlock_t f_ep_lock;
　　#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
　　struct address_space *f_mapping;
　　};