vfs

Linux内核通过虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）管理文件系统

VFS为所有的文件系统提供了统一的接口，对每个具体文件系统的访问要通过VFS定义的接口来实现

VFS本身只存在于内存中，它需要将硬盘上的文件系统抽象到内存中，这个工作是通过几个重要的结构实现的:

• dentry
• inode
• super_block
• file

1 super_block

超级块（super_block）代表了整个文件系统本身。通常，超级块是对应文件系统自身的控制块结构，其内容需要读取文件系统在硬盘上的超级块结构获得，所以超级块是具体文件系统超级块的内存抽象。

超级块简略结构如下：

struct super_block {unsigned long        s_blocksize;            /* 文件系统的块大小 */unsigned char        s_blocksize_bits;……/*省略超级块的链表、设备号等代码*/unsigned long long        s_maxbytes;        /* Max file size */struct file_system_type        *s_type;struct super_operations        *s_op;    /* 提供了一些重要的超级块操作函数 */unsigned long        s_magic;            /* 每个文件系统都有一个magic */struct dentry        *s_root;            /* 指向文件系统根dentry的指针 */struct list_head        s_inodes;        /* 包含文件系统内所有的 inodes */struct list_head        s_dirty;         /* dirty inodes */struct block_device        *s_bdev;      /* 指向文件系统存在的块设备指针 */void         *s_fs_info;                 /* Filesystem private info */
};

参考include/linux/fs.h

每个文件系统都有一个超级块结构，每个超级块都要链接到一个超级块链表。

文件系统内的每个文件在打开时都需要在内存分配一个inode结构，这些inode结构都要链接到超级块。

顺着super_blocks链表可以遍历整个操作系统打开过的文件的inode结构。

2 dentry

对于一个通常的文件系统来说，文件和目录一般按树状结构保存，目录项（dentry）就是反映了文件系统的这种树状关系。

2.1 dentry树

在VFS里，目录本身也是一个文件，只是有点特殊。每个文件都有一个dentry，这个dentry链接到上级目录的dentry，这样层层链接形成了目录树。

dentry简略结构如下：

struct dentry {……/省略dentry锁、标志等代码/struct inode *d_inode;        /* 指向一个inode结构。这个inode和dentry共同描述了一个普通文件或者目录文件 *//** The next three fields are touched by __d_lookup.  Place them here* so they all fit in a cache line.*/struct hlist_node d_hash;           /* 链接到dentry cache的hash链表 */struct dentry *d_parent;            /* parent directory */struct qstr d_name;                 /* 文件或目录的名字 *//** 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;        /* 子项的链表头，所有子项d_child都要链接到这个链表 */struct dentry_operations *d_op;struct super_block *d_sb;          /* The root of the dentry tree */int d_mounted;                     /* 指示dentry是否是一个挂载点，如果是则不为0 */
};

参考include/linux/fs.h

2.2 dentry的cache

所有的dentry都指向一个dentry_hashtable，dentry_hashtable是个数组，它的数组成员是hash链表数据结构。

这里所说的dentry，指的是在内存中的dentry。
如果某个文件已经被打开过，内存中就应该有该文件的dentry结构，并且该dentry被链接到dentry_hashtable数组的某个hash链表头。
后续再访问该文件的时候，就可以直接从hash链表里面找到，避免了再次读硬盘。这是dentry的cache概念。

2.3 挂载

通过dentry的d_mounted成员不为0可以判断: 该目录不是一个普通的目录，而是一个文件系统的挂载点。

在一开始，根文件系统和要挂载的源文件系统分别有两个dentry树。
当文件系统被挂载的时候，它的vfsmount结构就被链接到内核的一个全局链表—mount_hashtable数组链表。

每个文件系统都有这样一个vfsmount结构

当发现mnt目录是个特殊的目录时，从mount_hashtable数组找到hash链表头，再遍历整个hash链表，就能找到txt文件所在文件系统的vfsmount，然后mnt目录的dentry就被替换，置换为新文件系统的根目录。

3 inode

inode代表一个文件。inode保存了文件的大小、创建时间、文件的块大小等参数，以及对文件的读写函数、文件的读写缓存等信息。

具体文件系统的inode（静态节点）存储在硬盘中，在使用时需要调入内存，填写vfs的inode（动态节点）

一个真实的文件可以有多个dentry，因为指向文件的路径可以有多个（考虑文件的链接），而inode只有一个。

inode简略结构如下：

struct inode {struct list_head        i_list;             /* 用于描述inode当前状态的链表*/struct list_head        i_sb_list;          /* 用于链接到超级块中的inode链表 */struct list_head        i_dentry;           /* 该文件的所有dentry需要链接到i_dentry */unsigned long           i_ino;              /* inode号 */atomic_t                i_count;            /* inode引用计数 */loff_t                  i_size;             /* 字节为单位的文件长度 */unsigned int            i_blkbits;          /* 文件块的位数 */struct inode_operations         *i_op;const struct file_operations    *i_fop;         /* former ->i_op->default_file_ops */struct address_space            *i_mapping;     /* 用于缓存文件的内容，便于快速读写 */struct block_device             *i_bdev;        /* 指向文件系统所绑定的块设备 */……/*省略锁等代码*/
};

参考include/linux/fs.h

当创建一个新的inode的时候，成员i_list要链接到inode_in_use这个链表，表示inode处于使用状态，同时成员i_sb_list也要链接到文件系统超级块的s_inodes链表头。

内核提供了一个hash链表数组inode_hashtable，所有的inode结构都要链接到数组里面的某个hash链表

inode结构的i_mode成员用不同的值代表不同的文件类型：

imode	类型
S_IFBLK	块设备
S_IFCHR	字符设备
S_IFDIR	目录
S_IFSOCK	socket
S_IFIFO	FIFO

4 文件file

文件对象的作用是描述进程和文件交互的关系。

这里需要指出的是，硬盘上并不存在一个文件结构。进程打开一个硬盘上的文件时，内核就动态创建一个文件对象，返回一个文件描述符，并保存文件指针到文件描述符表里面的数组。

同一个文件，在不同的进程中有不同的文件对象.

file简略结构如下：

struct file {struct dentry           *f_dentry;          /* 指向文件对应的dentry结构 */struct vfsmount         *f_vfsmnt;          /* 指向文件所属于的文件系统的vfsmount对象 */const struct file_operations    *f_op;   atomic_long_t		f_count;                     /* 使用此结构体的进程数量 */……/*省略部分代码*/loff_t                  f_pos;              /* 表示进程对文件操作的位置。如读取前10字节，f_pos就指示第11字节位置 */struct fown_struct          f_owner;unsigned int                f_uid, f_gid;struct file_ra_state        f_ra;           /* 用于文件预读的设置 */struct address_space        *f_mapping;     /* 指向一个address_space结构。这个结构封装了文件的读写缓存页面 */
};

参考include/linux/fs.h

files_struct：用于记录进程中文件描述符的使用情况，是进程的私有数据

/** Open file table structure*/
struct files_struct {/** read mostly part*/atomic_t count;                                     /* 共享该表的进程数量 */bool resize_in_progress;                            /* 指示是否正在进行扩容操作 */wait_queue_head_t resize_wait;                      /* 等待队列头，扩容时阻塞等待的进程 */struct fdtable __rcu *fdt;                          /* 指向一个文件描述符表的指针 */struct fdtable fdtab;                               /* 文件描述符表 *//** written part on a separate cache line in SMP*/spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;  /* 保护如下所有的域 */unsigned int next_fd;unsigned long close_on_exec_init[1];                /* exec()关闭文件描述符的初始值 */unsigned long open_fds_init[1];unsigned long full_fds_bits_init[1];struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];      /* 文件描述符数组，存储每个打开的文件对应的file结构体指针 */
};

参考include/linux/fdtable.h

fs_struct表示文件系统信息的结构体：

struct fs_struct {int users;              /* 表示有多少用户正在使用该fs_struct */spinlock_t lock;seqcount_t seq;         /* 一个序列号计数器，用于维护fs_struct的序列化访问 */int umask;              /* 代表用户文件屏蔽掩码，用于设置新创建文件的默认权限 */int in_exec;            /* 指示当前进程是否正在执行 */struct path root, pwd;  /* 根目录 当前目录 */
} __randomize_layout;

参考include/linux/fd_struct.h

5 vfs各结构体的关系