存储系列之 VFS虚拟文件系统简介

引言：文件系统发展到一定阶段，开始进一步抽象和分层。

前面我们介绍了ext系列文件系统和xfs文件系统，这些是Linux使用最多的文件系统，也是很多发布版本默认选择的文件系统。而事实上，Linux支持的文件系统非常广泛，Minix，FAT，VFAT，NFS，NTFS…等等。前面我们还介绍过一个分区代表了一个文件系统，不同的分区可以安装不同的文件系统。那么在Linux系统中，如何管理和调用这些文件系统的接口呢？通过VFS来实现。

一、VFS定义和作用

VFS，Virtual File System虚拟文件系统，也称为虚拟文件系统开关（Virtual Filesystem Switch），就是采用标准的Linux系统调用读写位于不同物理介质上的不同文件系统,即为各类文件系统提供了一个统一的操作界面和应用编程接口，VFS是一个内核软件层。

VFS是一个可以让open()、read()、write()等系统调用不用关心底层的存储介质和文件系统类型就可以工作的抽象层，如下图所示。

我们知道在Linux系统中一切皆文件，在Linux系统中基本上把其中的所有内容都看作文件，除了我们普通意义理解的文件之外，目录、字符设备、块设备、 套接字、进程、线程、管道等都被视为是一个“文件”。例如对于块设备，我们通过fdisk -l显示块设备列表，其实块设备可以理解为在文件夹/dev下面的文件。只不过这些文件是特殊的文件。

VFS是一个抽象层，其向上提供了统一的文件访问接口，而向下则兼容了各种不不同类型的文件系统。不仅仅是诸如Ext2、Ext4、XFS、windows家族的NTFS和Btrfs等常规意义上的文件系统，还可以是比如上图的proc等伪文件系统和设备，也可以是诸如NFS、CIFS等网络文件系统。

另外，VFS实现了一部分公共的功能，例如页缓存和inode缓存等，从而避免多个文件系统重复实现的问题。有关高速缓存，后续章节还有介绍。 

二、VFS内部结构和对象类型

VFS层通过定义一个清晰的VFS接口，以将文件系统的通用操作和具体实现分开。多个VFS接口的实现可以共存在同一台机器上，它允许访问已装在本地的多个类型的文件系统。

VFS提供了在网络上唯一标识一个文件的机制。VFS基于称为vnode的文件表示结构，该结构包括一个数值标识符以表示位于整个网络范围内的唯一文件。该网络范围的唯一性用来支持网络文件系统。内核中为每个活动节点（文件或目录）保存一个vnode结构。

VFS根据文件系统类型调用特定文件类型操作以处理本地请求，通过调用NFS协议程序来处理远程请求。文件句柄可以从相应的vnode中构造，并作为参数传递给程序。它的下一层实现文件系统类型或远程文件系统协议。

下面简要的讨论一下Linux中的VFS结构。Linux VFS定义的4种主要对象类型是：
     超级块对象（superblock object）表示整个文件系统。

索引节点对象（inode object）表示一个单独的文件。

文件对象（file object）表示一个打开的文件。

目录项对象（dentry object）表示一个单独的目录项（或者称作目录条目）。

VFS对每种类型的对象都定义了一组必须实现的操作。这些类型的每一个对象都包含了一个指向函数表的指针。函数表列出了实际上实现特定对象的操作函数。

所有超级块对象都以双向循环链表的形式链接在一起，对象的自旋锁（sb_lock）保护链表免受多处理器系统上的同时访问。

一个进程对某个文件的操作在VFS结构中处理流程如下图所示。

三、从VFS到具体文件系统

1、挂载

我们从上面得知，VFS可以管理各种文件系统，那么VFS和文件系统怎么关联的呢？给用户如何展示的呢？通过挂载。

如下图所示，该系统根文件系统是Ext3文件系统，而在其/mnt目录下面又分别挂载了Ext4文件系统和XFS文件系统。最后形成了一个由多个文件系统组成的文件系统树。

挂载是用户态发起的命令，就是我们知道的mount命令，该命令执行的时候需要指定文件系统的类型（本文假设Ext2）和文件系统数据的位置（也就是设备）。通过这些关键信息，VFS就可以完成Ext2文件系统的初始化，并将其关联到当前已经存在的文件系统中，也就是建立其图2所示的文件系统树。

在挂载的过程中，最为重要的数据结构是vfsmount，它代表一个挂载点。其次是dentry和inode，这两个都是对文件的表示，且都会缓存在哈希表中以提高查找的效率。

其中inode是对磁盘上文件的唯一表示，其中包含文件的元数据（管理数据）和文件数据等内容，但不含文件名称。而dentry则是为了Linux内核中查找文件方便虚拟出来的一个数据结构，其中包含文件名称、子目录（如果存在的话）和关联的inode等信息。

dentry结构体最为关键，其维护了内核中的文件目录树。其中里面比较重要的几个结构体分别是d_name、d_hash和d_subdirs。其中d_name代表一个路径节点的名称（文件夹名称）、d_hash则用于构建哈希表，d_subdirs则是下级目录（或文件）的列表。这样，通过dentry就可以形成一个非常复杂的目录树。

2、文件处理流程

文件处理流程包括两步：我们在访问一个文件之前首先要打开它（open）文件访问，然后进行文件的读写操作（read或者write）。

我们知道，在用户态打开一个文件是返回的是一个文件描述符，其实也就是一个整数值；同时，访问文件也是通过这个文件描述符进行的。那么操作系统是怎么通过这个整数值实现不同类型文件系统的访问呢？不同文件系统的差异其实就是inode中初始化的函数指针的差异。

在Linux操作系统中，文件的打开必须要与进程（或者线程）关联，也就是说一个打开的文件必须隶属于某个进程。

在linux内核当中一个进程通过task_struct结构体描述，而打开的文件则用file结构体描述，打开文件的过程也就是对file结构体的初始化的过程。在打开文件的过程中会将inode部分关键信息填充到file中，特别是文件操作的函数指针。在task_struct中保存着一个file类型的数组，而用户态的文件描述符其实就是数组的下标。这样通过文件描述符就可以很容易到找到file，然后通过其中的函数指针访问数据。

我们以Ext2文件系统的写数据为例来看看文件处理流程和各个层级之间的关系，如下图。

在调用用户态的写数据接口的时候，需要传入文件描述符。内核根据文件描述符找到file，然后调用函数接口（file->f_op->write）文件磁盘数据。其中file结构体的f_op指针就是在打开文件的时候通过inode初始化的。

参考资料：

《深入理解LINUX内核》第三版。

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1621555464151870974&wfr=spider&for=pc