通俗易懂！快速了解虚拟文件系统（VFS）-linux运维-PHP中文网

前言

为什么 Linux 内核支持如此多种类的文件系统，并且都能顺利挂载呢？为什么可以在系统中直接挂载其他文件系统，甚至将 Windows 下的文件夹挂载到 Linux 上？Linux 的虚拟文件系统（VFS）为何如此强大？这都归功于其精妙的数据结构设计。似乎有个说法，Linux 有什么解决不了的问题？就加一层。

通俗易懂！快速了解虚拟文件系统（VFS）

VFS 是什么？虚拟文件系统，简称 VFS（Virtual Filesystem），是内核中的一个软件层。

VFS 的作用可以概括为两点：

处理与 Unix 标准文件系统相关的所有系统调用。
为各种文件系统提供一个通用的接口。

VFS 支持的文件系统类型如下列出一些常见的文件系统类型，本文暂不进行详细分析。

磁盘文件系统：ext2，ext3，...
网络文件系统类型：nfs，smbfs，...
特殊文件系统：tmpfs，ramfs，...
伪文件系统：procfs，sysfs，...

VFS 的设计思想 VFS 设计的初衷是支持所有的文件系统，因此其设计思想是采用面向对象的方式，设计一个通用的文件模型。尽管出于效率考虑，VFS 是用 C 语言编写的。在通用文件系统模型中，每个目录也被视为一个文件，可以包含若干文件和其他子目录。因此，Linux 有一句经典的话：一切皆文件。

关键数据结构介绍 Linux VFS 抽象出四种类型的数据结构，以实现将不同类型的文件系统挂载到目录结构中。

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超级块对象对于磁盘类文件系统，超级块是存放在磁盘上的文件系统控制块，里面存放已安装文件系统的相关信息。换句话说，一个超级块描述了一个具体文件系统的信息，其中的信息非常重要，也称为元数据。与普通的文件数据相比，元数据的丢失会损坏整个文件系统，导致无法挂载等问题。当然，不仅超级块，inode 上也有许多元数据。

struct super_block {
  struct list_head s_list; // 超级块链表指针
  dev_t s_dev;  // 设备标识符
  unsigned char s_blocksize_bits; // 以位为单位的块的大小
  unsigned long s_blocksize; // 以字节为单位的块大小
  loff_t s_maxbytes; // 文件大小的上限
  struct file_system_type *s_type;  // 指向文件系统的 file_system_type 数据结构的指针
  const struct super_operations *s_op; // 超级块方法
  const struct dquot_operations *dq_op; // 磁盘限额方法
  const struct quotactl_ops *s_qcop; // 限额控制方法
  const struct export_operations *s_export_op;  // 导出方法
  unsigned long s_flags;  // 登录标志
  unsigned long s_magic; // 文件系统的魔术字
  struct dentry *s_root;  // 目录登录点
  struct rw_semaphore s_umount; // 卸载信号量
  int s_count; // 超级块引用计数
  atomic_t s_active; // 活动引用记数
  #ifdef CONFIG_SECURITY
  void *s_security; // 安全模块
  #endif
  const struct xattr_handler **s_xattr;
  struct list_head s_inodes; // 把所有索引对象链接在一起，存放的是头结点
  struct hlist_bl_head s_anon; // 匿名目录项
  struct list_head s_mounts; /* list of mounts; _not_ for fs use */
  struct block_device *s_bdev; // 相关的块设备
  struct backing_dev_info *s_bdi;
  struct mtd_info *s_mtd;
  struct hlist_node s_instances; // 该类型文件系统
  unsigned int s_quota_types; /* Bitmask of supported quota types */
  struct quota_info s_dquot; // 限额相关选项
  struct sb_writers s_writers;
  char s_id[32]; /* Informational name */
  u8 s_uuid[16]; /* UUID */
  void *s_fs_info; /* Filesystem private info */
  unsigned int s_max_links;
  fmode_t s_mode;
  u32 s_time_gran;
  struct mutex s_vfs_rename_mutex; /* Kludge */
  char *s_subtype;
  char __rcu *s_options;
  const struct dentry_operations *s_d_op; /* default d_op for dentries */
  int cleancache_poolid;
  struct shrinker s_shrink; /* per-sb shrinker handle */
  atomic_long_t s_remove_count;
  int s_readonly_remount;
  struct workqueue_struct *s_dio_done_wq;
  struct hlist_head s_pins;
  struct list_lru s_dentry_lru ____cacheline_aligned_in_smp;
  struct list_lru s_inode_lru ____cacheline_aligned_in_smp;
  struct rcu_head rcu;
  int s_stack_depth;
};

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索引节点对象（inode）索引节点存放关于具体文件的一般信息。对于磁盘类文件系统，索引节点也是存放在磁盘上的文件控制块。每个索引节点都有一个索引节点号，这个节点号唯一地标识了文件系统中的文件。

struct inode {
  umode_t i_mode; // 访问权限控制
  unsigned short i_opflags;
  kuid_t i_uid; // 使用者的 id
  kgid_t i_gid; // 使用组 id
  unsigned int i_flags; // 文件系统标志
  #ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
  struct posix_acl *i_acl;
  struct posix_acl *i_default_acl;
  #endif
  const struct inode_operations *i_op; // 指向索引结点操作结构体的指针
  struct super_block *i_sb; // 指向 inode 所属文件系统的超级块的指针
  struct address_space *i_mapping; // 相关的地址映射
  #ifdef CONFIG_SECURITY
  void *i_security; // 安全模块
  #endif
  unsigned long i_ino; // 索引结点号。通过 ls -i 命令可以查看文件的索引节点号
  union {
    const unsigned int i_nlink; // 硬链接数
    unsigned int __i_nlink;
  };
  dev_t i_rdev; // 实际设备标识符号
  loff_t i_size; // 以字节为单位
  struct timespec i_atime; // 最后访问时间
  struct timespec i_mtime; // 最后修改时间
  struct timespec i_ctime; // 最后改变时间
  spinlock_t i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
  unsigned short i_bytes; // 使用的字节数
  unsigned int i_blkbits; // 以位为单位的块大小
  blkcnt_t i_blocks; // 文件的块数
  #ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
  seqcount_t i_size_seqcount;
  #endif
  unsigned long i_state; // 状态标志
  struct mutex i_mutex;
  unsigned long dirtied_when; // 首次修改时间
  unsigned long dirtied_time_when;
  struct hlist_node i_hash; // 散列表
  struct list_head i_wb_list; /* backing dev IO list */
  struct list_head i_lru; /* inode LRU list */
  struct list_head i_sb_list; // 链接一个文件系统中所有 inode 的链表
  union {
    struct hlist_head i_dentry; // 目录项链表
    struct rcu_head i_rcu;
  };
  u64 i_version; // 版本号
  atomic_t i_count; // 引用计数
  atomic_t i_dio_count;
  atomic_t i_writecount; // 写者计数
  #ifdef CONFIG_IMA
  atomic_t i_readcount; /* struct files open RO */
  #endif
  const struct file_operations *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */
  struct file_lock_context *i_flctx;
  struct address_space i_data; // 设备地址映射
  struct list_head i_devices; // 块设备链表
  union {
    struct pipe_inode_info *i_pipe; // 管道信息
    struct block_device *i_bdev; // 块设备
    struct cdev *i_cdev; // 字符设备
  };
  __u32 i_generation; // 索引节点版本号
  #ifdef CONFIG_FSNOTIFY
  __u32 i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */
  struct hlist_head i_fsnotify_marks;
  #endif
  void *i_private; /* fs or device private pointer */
};

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目录项对象（dentry）存放 dentry 与对应文件链接的相关信息，每个 dentry 代表路径中的一个特定部分，每个磁盘类文件系统以自己的方式将目录项信息存放在磁盘上。

struct dentry {
  /* RCU lookup touched fields */
  unsigned int d_flags; /* protected by d_lock */
  seqcount_t d_seq; /* per dentry seqlock */
  struct hlist_bl_node d_hash; /* lookup hash list */
  struct dentry *d_parent; /* parent directory */
  struct qstr d_name;
  struct inode *d_inode; /* Where the name belongs to - NULL is negative */
  unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; /* small names */
  /* Ref lookup also touches following */
  struct lockref d_lockref; /* per-dentry lock and refcount */
  const struct dentry_operations *d_op;
  struct super_block *d_sb; /* The root of the dentry tree */
  unsigned long d_time; /* used by d_revalidate */
  void *d_fsdata; /* fs-specific data */
  struct list_head d_lru; /* LRU list */
  struct list_head d_child; /* child of parent list */
  struct list_head d_subdirs; /* our children */
  /* * d_alias and d_rcu can share memory */
  union {
    struct hlist_node d_alias; /* inode alias list */
    struct rcu_head d_rcu;
  } d_u;
};

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文件对象（file）存放被打开文件与进程间交互的信息，这类信息仅当进程访问文件期间存放在内存中。

struct file {
  union {
    struct llist_node fu_llist; // 每个文件系统中被打开的文件都会形成一个双链表
    struct rcu_head fu_rcuhead;
  } f_u;
  struct path f_path;
  struct inode *f_inode; /* cached value */
  const struct file_operations *f_op; // 指向文件操作表的指针
  spinlock_t f_lock;
  atomic_long_t f_count; // 文件对象的使用计数
  unsigned int f_flags; // 打开文件时所指定的标志
  fmode_t f_mode; // 文件的访问模式
  struct mutex f_pos_lock;
  loff_t f_pos; // 文件当前的位移量
  struct fown_struct f_owner;
  const struct cred *f_cred;
  struct file_ra_state f_ra; // 预读状态
  u64 f_version; // 版本号
  #ifdef CONFIG_SECURITY
  void *f_security; // 安全模块
  #endif
  /* needed for tty driver, and maybe others */
  void *private_data;
  #ifdef CONFIG_EPOLL
  /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
  struct list_head f_ep_links;
  struct list_head f_tfile_llink;
  #endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
  struct address_space *f_mapping; // 页缓存映射
} __attribute__((aligned(4))); /* lest something weird decides that 2 is OK */
struct file_handle {
  __u32 handle_bytes;
  int handle_type; /* file identifier */
  unsigned char f_handle[0];
};

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数据结构组织关系图通俗易懂！快速了解虚拟文件系统（VFS）