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[操作系统]虚拟文件系统(VFS)


原文链接:http://www.orlion.ga/1008/

linux在不同的文件系统之上做了一个抽象层,使得文件、目录、读写访问等概念都成为抽象层概念,这个抽象层被称为虚拟文件系统(VFS)。

linux内核的VFS子系统如下:

    每个进程在PCB(Process Control Block)中都保存着一份文件描述符表,文件描述符就是这个表的索引,每个表项都有一个指向已打开文件的指针,一打开的文件在内核中用file结构体表示,文件描述符表中的指针指向file结构体。

    在file结构体中维护File Status Flag(file结构体的成员f_flags)和当前读写位置(file结构体的成员f_pos)。在上图中,进程1和进程2都打开同一文件,但是对应不同的file结构体,因此可以有不同的File Status Flag和读写位置。file结构体还有一个成员f_count,表示引用计数(Reference Count),如果有两个文件描述符指向同一个file结构体,那它的引用计数就是2,当close()一个文件描述符时并不会释放file结构体而是将引用计数减到1,再close一个文件描述符引用计数就会变成0同时再释放file结构体。真正的关闭文件。

   每个file结构体都指向了一个file_operations结构体,这个结构体的成员都是函数指针,指向实现各种文件操作的内核函数。例在用户程序中read一个文件描述符,read通过系统调用进入内核,然后找到这个文件描述符指向的file结构体,找到file结构体所指向的file_operations结构体,调用它的read成员所指向的内核函数以完成用户请求。对于同一文件系统上打开的常规文件来说,read、weite等文件操作的步骤和方法应该是一样的,调用的函数应该是相同的,所以图中三个打开文件的file结构体指向同一个file_operation结构体,如果打开的是非常规文件那就不一样了。每个file结构体都有一个指向dentry结构体的指针,“dentry”是directory entry(目录项)的缩写。我们传给open、stat等函数的参数是一个路径,例如/home/orlion/a,需要根据路径找到文件的inode。为了减少读盘次数,内核缓存了目录的树状结构,称为dentry cache,其中每个节点是一个dentry结构体,只要沿着路径各部分的dentry搜索即可,从根目录/找到home目录,然后找到orlion目录,然后找到文件a。dentry cache只保存最近访问过的目录项,如果要找的目录项在cache中没有,就要从磁盘中读到内存中。

    每个dentry结构体都有一个指针指向inode结构体。inode结构体保存着从磁盘inode读上来的信息。上图中有两个dentry,分别表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b,它们都指向同一个inode,说明这两个文件互为硬链接。inode结构体中保存着从磁盘分区的inode读上来信息,例如所有者、文件大小、文件类型和权限位等。每个inode结构体都有一个指向inode_operations结构体的指针,后者也是一组函数指针指向一些完成文件目录操作的内核函数。和file_operations不同,inode_operations所指向的不是针对某一个文件进行操作的函数,而是影响文件和目录布局的函数,例如添加删除文件和目录、跟踪符号链接等,属于同一文件系统的个inode结构体可以指向同一个inode_operation结构体。

    inode结构体有一个指向super_block结构体的指针。super_block结构体保存着从磁盘分区的超级快上读来的信息,例如文件系统类型,块大小等。super_block结构体的s_root成员是一个指向dentry的指针,表示这个文件系统的根目录被mount到哪里。

    file、dentry、inode、super_block这几个结构体组成了VFS的核心概念。