虚拟文件系统

计算机操作系统

虚拟文件系统(VFS)是由Sun microsystems公司在定义网络文件系统(NFS)时创造的。它是一种用于网络环境的分布式文件系统，是允许和操作系统使用不同的文件系统实现的接口。虚拟文件系统（VFS）是物理文件系统与服务之间的一个接口层，它对Linux的每个文件系统的所有细节进行抽象，使得不同的文件系统在Linux核心以及系统中运行的其他进程看来，都是相同的。严格说来，VFS并不是一种实际的文件系统。它只存在于内存中，不存在于任何外存空间。VFS在系统启动时建立，在系统关闭时消亡。

简介

虚拟文件系统 Virtual File Systems（VFS）

Linux 是近年来发展起来的一种新型的操作系统，其最重要的特征之一就是支持多种文件系统，使其更加灵活，从而与许多其它的操作系统共存。Linux支持ext，ext2，xia，minix，umsdos，msdes，fat32 ，ntfs,proc，stub，ncp，hpfs，affs 以及 ufs 等多种文件系统。为了实现这一目的，Linux 对所有的文件系统采用统一的文件界面，用户通过文件的操作界面来实现对不同文件系统的操作。对于用户来说，我们不要去关心不同文件系统的具体操作过程，而只是对一个虚拟的文件操作界面来进行操作，这个操作界面就是 Linux 的虚拟文件系统(VFS ) 。形象地说，Linux 的内核好象一个 PC 机的母板，VFS 就是上面的一个插槽，具体的文件系统就是一块块的接 121 卡。因此，每一个文件系统之间互不干扰，而只是调用相应的程序来实现其功能。在 Linux 的内核数据结构file—operations。所以，VFS 作为 ILinux内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口，同时也提供了内核中的一个抽象功能，允许不同的文件系统很好地共存。VFS 使 Linux 同时安装、支持许多不同类型的文件系统成为可能。VFS 拥有关于各种特殊文件系统的公共界面，如超级块、inode、文件操作函数入口等。实际文件系统的细节，统一由 VFS 的公共界面来索引，它们对系统核心和用户进程来说是透明的。

Linux虚拟文件系统简介

虚拟

1, 在同一个目录结构中, 可以挂载着若干种不同的文件系统. VFS隐藏了它们的实现细节, 为使用者提供统一的接口；

Inode

含义: 索引节点, 对应设备上存放的一个文件。

创建: 1)在超级块被载入时, 作为根的inode一并被载入; 2)通过mknod调用创新新的索引节点; 3)在寻找文件路径的过程中, 从设备中读取, 并初始化(跟super_block一样, inode结构中一部分信息是保存在设备中的, 一部分则是在内在中初始化的)。

函数: i_op, 索引节点函数集, 主要包含对子inode的创建, 删除等操作. f_op, 文件函数集, 主要包含对本inode的读写等操作. 在inode被创建后, 1)如果是特殊文件, 则根据对应文件的类型(包括块设备, 字符设备, fifo, 等等)赋予特定的函数集(并不直接与设备和文件系统类型相关); 2)否则, 对应的文件系统类型会提供相应的函数集, 并且目录和文件函数集很可能不同。

操作已打开的文件

VFS的使用者是进程(用户访问文件系统总是需要启动进程). 描述进程的task_struct结构中files指针指向了一个files_struct结构, 后者描述了进程已打开的文件集合。

files_struct结构维护了一个已打开文件所对应的file结构的指针数组, 数组下标被用作用户程序操作已打开文件的句柄(通常称作fd). files_struct还维护着已使用的fd位图, 以便在需要打开文件时, 为其分配一个未使用的fd。

详细见参考文献。

功能

VFS的功能包括：纪录可用的文件系统的类型；将设备同对应的文件系统联系起来；处理一些面向文件的通用操作；涉及到针对文件系统的操作时，VFS把它们影射到与控制文件、目录以及inode相关的物理文件系统。

当某个进程发布了一个面向文件的系统调用时，核心将调用VFS中相应的函数，这个函数处理一些与物理结构无关的操作，并且把它重定向为真实文件系统中相应的函数调用，后者则用来处理那些与物理结构相关的操作。

VFS与实际文件系统的封装关系如下图所示：

VFS

MINIX FS

VFSinode缓存

VFS目录缓存

EXT FS

EXT2 FS

MSDS FS

缓冲存储

I/O设备驱动

图4 VFS与实际文件系统的封装关系

VFS的源代码集中在/usr/src/linux/fs目录下，关于它的数据结构的描述在文件/usr/src/lunux/include/linux/fs.h中。

超级块

VFS使用了与EXT2文件系统类似的方式：超级块和索引节点inode描述文件系统。

VFS超级块是各种逻辑文件系统在安装时建立的，并在这些文件系统卸载时自动删除，它只存在于内存中。VFS中保存了系统中挂接的文件系统的链表以及这些文件系统对应的VFS超级块。系统启动后所有被初始化的文件系统都要向VFS登记。每个已安装的文件系统由一个VFS 超块表示，它包含如下信息：

⑴Device：表示文件系统所在块设备的设备标志符。例如系统中第一个IDE 硬盘的设备标志符为0x301。

⑵Inode pointers：这个mounted inode指针指向文件系统中第一个inode。而covered inode指针指向此文件系统安装目录的inode。根文件系统的VFS超块不包含covered指针。

⑶Blocksize：以字节记数的文件系统块大小，如1024 字节。

⑷Superblock operations：指向此文件系统一组超块操纵例程的指针。这些例程被VFS 用来读写inode和超块。

⑸File System type：这是一个指向已安装文件系统的file_system_type结构的指针。

⑹File System specific：指向文件系统所需信息的指针。

其它相关

The VFS Inode

和EXT2 文件系统相同，VFS 中的每个文件、目录等都用且只用一个VFS inode表示。每个VFS inode 中的信息通过文件系统相关例程从底层文件系统中得到。VFS inode仅存在于核心内存并且保存只要对系统有用，它们就会被保存在在VFS inode cache中。每个VFS inode包含下列域：

⑴device：包含此文件或此VFS inode 代表的任何东西的设备的设备标志符。

⑵inode number：文件系统中唯一的inode号。在虚拟文件系统中device和inode号的组合是唯一的。

⑶mode：和EXT2 中的相同, 表示此VFS inode 的存取权限。

⑷user ids：所有者的标志符。

⑸times：VFS inode 创建、修改和写入时间。

⑹block size：以字节计算的文件块大小，如1024 字节。

⑺inode operations：指向一组例程地址的指针。这些例程和文件系统相关且对此inode 执行操作，如截断此inode表示的文件。

⑻count：使用此VFS inode 的系统部件数。一个count为0 的inode可以被自由的丢弃或重新使用。

⑼lock：用来对某个VFS inode加锁，如用于读取文件系统时。

⑽dirty：表示这个VFS inode是否已经被写过，如果是则底层文件系统需要更新。

注册文件系统

用户可以通过两种途径向内核注册文件系统：一是在编译内核时确定可支持的文件系统类型，并在系统初始化时通过内嵌的函数调用在VFS中进行注册；二是把某个文件系统当作一个模块，利用模块的加载和卸载特征向注册表登记类型或从注册表注销。

文件系统类型的注册函数为：int register filesystem (struct file_system_type *fs)

每个文件系统都有一个初始化例程，文件系统通过它在VFS中进行注册，即填写file_system_type数据结构。该结构包含了文件系统的名称及一个指向对应VFS超级块读取例程的地址。所有已注册文件系统的file_system_type结构形成了一个注册链表，如下图所示：

file_system_type file_system_type file_system_type

*read_super()

name

owner

kem_mnt

*read_super()

name

owner

kem_mnt

*read_super()

name

owner

kem_mnt

图5

file_system_type的数据结构在include/linux/fs.h中定义如下：

struct file_system_type {

const char *name;

//文件系统的类型名，如EXT2。这些名称出现在Linux中的/proc/filesystems中且必须是唯一的。

int fs_flags;

//fs_flags的取值可能有很多种。例如，文件系统标识FS_REQUIRES_DEV表示文件系统只能加载在一个块设备上；FS_SINGLE表示文件系统只能有一个超级块；FS_NOMOUNT表示文件系统不能安装在用户空间上。

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

//read_super所指的函数用于读出该文件系统在外存的超级块。

struct module *owner;

//如果实现该文件系统的程序段是由module动态载入的，则指向该module；如果实现该文件系统的程序段是在内核编译时生成的，则owner = NULL。

struct vfsmount * kem_mnt;

//只为标识为FS_SINGLE的文件系统使用(For kernel mount)

struct file_system_type * next;

//文件系统类型链表的后续指针。

};

安装文件系统

文件系统注册后便在设备上按一定格式建立文件系统，但是此时设备上的文件和节点都还不是可访问的，还不能按照一定的路径名访问其中特定的节点或文件。只有把它安装到文件系统中某个节点上，才能使设备上的文件和节点可被访问。因此注册了wej系统只代表Linux系统支持这种文件系统的应用，要真正使用该文件系统还必须安装它。

文件系统的安装必须调用mount命令，把其他子系统安装到已经存在于文件系统的空闲节点上。该命令使用系统的mount()调用：asmlinkage ling sys_mount(char * dev_name, char * dir_name, char * type, unsigned long flags, void * data)

其中dev_name是要安装的文件系统的磁盘分区的路径名，如/dev/hda5。参数dir_name是要安装的文件系统的目录名；type指定磁盘分区上的文件系统类型；flags指定该文件系统如何被安装；data是指向任意的信息结构的指针，其内容依赖于被安装的特定文件系统类型。

使用mount命令后，VFS通过file_systems在file_system_type链表中根据指定的文件系统名称搜索文件系统类型信息。而函数get_fs_type()根据具体文件系统的类型名在内核中找到相应的file_system_type结构:

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;

}

其中函数find_filesystem(name)扫描file_system对列，找到所需文件系统类型的数据结构。

卸载文件系统

超级用户卸载文件系统使用umount命令。

卸载过程必须检查文件系统及其超级块的状态。如果文件系统正被其他进程使用该文件系统就不能被卸载。如果文件系统的文件或目录正在使用，则VFS索引节点缓存中可能包含相应的VFS索引节点。检查代码在该缓存中，根据文件系统所在的设备标识符查找是否有来自该文件系统的VFS索引节点。如果有且使用计数大于0则说明该文件系统正在使用，不能被删除。如果文件系统的超级块为“脏”，即被修改，则应先将它写回到磁盘上。

文件系统允许在被删除后，对应的VFS超级块被释放，vfsmount数据结构从vfsmntlist链表中断开并被释放。

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