VFS虚拟文件系统

虚拟文件系统

虚拟文件系统为用户空间程序提供了文件和文件系统的接口
通过VFS，程序可以通过标准的UNIX系统调用操作不同的文件系统和介质，包括各种软硬件设备
Linux等现代操作系统引入VFS作为抽象层，极大方便系统调用

Unix文件系统

UNIX系统使用了四种和文件系统相关的抽象概念: 文件、目录项、索引结点和挂载点。
将文件的相关信息和文件加以区分
- 文件相关信息单独存储在索引结点中，又称为元数据，包括文件的控制权限、文件大小、属主和创建与访问时间等
- 文件相关信息和文件系统的相关信息密不可分，后者存储在***超级块(super block)***中，超级块是包含文件系统信息的数据结构。
- 文件按照索引结点存储在单独的块中，文件系统的控制信息存在超级块中
VFS中有四个主要对象类型
- 超级块对象，代表一个具体的已安装的文件系统
- 索引结点对象，代表一个具体文件
  - inode才代表具体文件
- 目录项对象，代表一个目录项，是路径的组成部分
  - 目录项不是目录，而是一个文件。不存在目录对象
- 文件对象，代表由进程打开的文件
  - 每个进程都有自己的打开文件列表，文件对象是一个动态生成动态销毁的对象
超级块
- 超级块对象 super block
  - 用于存储特定文件系统的信息
  - 通常放在磁盘的特定扇区中，所以被称为超级块对象
  - 并非基于磁盘的文件系统，内核会现场创建，并保存在内存中
- 超级块操作
  - super_operations

索引结点
- 索引结点对象 inode
  - 索引结点对象包含了内核在操作文件或目录时的所有信息
  - 索引结点对象都是在内存中创建的，不会写回硬盘的
- 索引结点操作
  - inode_operations
目录项
- 目录项对象
  - VFS把目录当做文件对待，解析目录时，将路径中的每个组成部分都是一个索引结点对象，比如"/bin/ls"中的‘/’、‘bin’和‘ls’。进行路径查找和解析是比较耗时的，为了方便操作，VFS引入了目录项dentry的概念，每个dentry都是路径的组成部分
  - 目录项对象都是根据字符串形式现场创建的，并没有保存在磁盘
- 目录项状态
  - 被使用
    - 被使用的dentry对应一个有效的inode，即dentry结构体中d_inode指向的inode
    - 该对象的引用计数d_count为正，至少有一个使用者，不能随意丢弃
  - 未被使用
    - 未被使用的dentry，其d_inode也指向一个inode，但是d_count为0
    - 此时该dentry仍然在缓存中，可能会再次使用。不会立刻被释放，但如果系统要回收内存的话，可以被释放回收
  - 负状态
    - 负状态的dentry没有对应的有效inode，原因可能是inode已被删除，或者路径不再正确
    - 此时将其缓存起来仍然有些用处，比如一个守护进程一直读一个不存在的文件，缓存dentry不至于让进程总是去搜索
- 目录项缓存
  - 遍历路径名中所有元素并逐个解析成dentry，是非常费时费力的，所以内核引入目录项缓存dcache，将目录项对象都缓存起来
  - 目录项缓存包括
    - “被使用的"目录项链表
      - 该链表通过inode中的i_dentry指针连接相关inode
      - 一个给定的inode可能有多个链接（软硬链接），所有就有可能有多个目录项对象，因此用一个链表链接
    - “最近使用的"双向链表
      - 该链表包含所有未被使用的和负状态的 dentry
      - 总是在表头添加元素，所以回收dentry时从最后开始回收
    - 哈希表和相应的哈希函数
      - 快速将给定路径解析为相关目录项对象
      - 哈希表由dentry_hashtable数组表示，每个元素都指向一个具有相同键值的目录项对象链表指针
      - 哈希函数d_hash()
      - 查找函数d_lookup()
- 目录项操作
  - dentry_operation
文件
- 文件对象
  - 表示进程已经打开的文件。文件对象是已打开的文件（物理文件）在内存中的表示
  - 多个进程可以打开同一个物理文件，所以一个物理文件会有多个文件对象
  - 文件对象指向目录项对象，目录项对象指向索引结点inode
  - 具体而言，是文件对象filep中的f_dentry指向目录项对象，目录项对象的d_inode指向索引结点inode
- 文件操作
  - file_operations
相关数据结构
- file_system_type
  - 用于描述各种特定文件系统类型，用于支持不同文件系统
  - struct file_system_type {}
    - get_sb() 从磁盘读取超级块，并在文件系统安装时在内存中组装超级块对象
  - 每个文件系统只有一个
- vfsmount
  - 系统挂载时，将有一个vfsmount结构体在挂载点创建，代表文件系统的实例
  - struct vfsmount {}
    - 各种链表
和进程相关的数据结构
- 每个进程都有自己的一组打开爱的文件，比如根文件系统、当前工作目录、挂载点等
- struct files_struct {}
  - 该结构提由进程描述符中的files指向，一般都是current->files
- struct fs_struct {}
  - 包含文件系统和进程相关的信息，由fs域指向，一般是current->fs
- struct namespace {}
  - 使得每个进程在系统中能看到唯一的安装文件系统，mm->namespace
- 每个进程都有指向自己的fs_struct和files_struct，多个进程可能指向同一个，比如通过带有CLONE_FILES和CLONE_FS标志创建的进程（其实是线程），所以这两个struct都有引用计数，以防出错
- 而对于namespace来说，除非使用CLONE_NEWS标志创建进程，会创建新的namespace结构体，否则所有进程共享一个namespace