虚拟档案系统 Virtual File Systems（VFS）

Linux 是近年来发展起来的一种新型的作业系统，其最重要的特徵之一就是支持多种档案系统，使其更加灵活，从而与许多其它的作业系统共存。Linux支持ext，ext2，xia，minix，umsdos，msdes，fat32 ，ntfs,proc，stub，ncp，hpfs，affs 以及 ufs 等多种档案系统。为了实现这一目的，Linux 对所有的档案系统採用统一的档案界面，用户通过档案的操作界面来实现对不同档案系统的操作。对于用户来说，我们不要去关心不同档案系统的具体操作过程，而只是对一个虚拟的档案操作界面来进行操作，这个操作界面就是 Linux 的虚拟档案系统(VFS ) 。形象地说，Linux 的核心好象一个 PC 机的母板，VFS 就是上面的一个插槽，具体的档案系统就是一块块的接 121 卡。因此，每一个档案系统之间互不干扰，而只是调用相应的程式来实现其功能。在 Linux 的核心档案中，VFS 和具体的档案系统程式都放在 Linux\FS 中，其中每一种档案系统对应一个子目录，另外还有一些共用的 VFS 程式。在具体的实现上，每个档案系统都有自己的档案操作数据结构file—operations。所以，VFS 作为 ILinux核心中的一个软体层，用于给用户空间的程式提供档案系统接口，同时也提供了核心中的一个抽象功能，允许不同的档案系统很好地共存。VFS 使 Linux 同时安装、支持许多不同类型的档案系统成为可能。VFS 拥有关于各种特殊档案系统的公共界面，如超级块、inode、档案操作函式入口等。实际档案系统的细节，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。

"虚拟"二字主要有两层含义：

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

2, 目录结构本身并不是绝对的, 每个进程可能会看到不一样的目录结构. 目录结构是由"地址空间(namespace)"来描述的, 不同的进程可能拥有不同的namespace, 不同的namespace可能有着不同的目录结构(因为它们可能挂载了不同的档案系统)。

含义: 索引节点, 对应设备上存放的一个档案。

创建: 1)在超级块被载入时, 作为根的inode一併被载入; 2)通过mknod调用创新新的索引节点; 3)在寻找档案路径的过程中, 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)。

函式: i_op, 索引节点函式集, 主要包含对子inode的创建, 删除等操作. f_op, 档案函式集, 主要包含对本inode的读写等操作. 在inode被创建后, 1)如果是特殊档案, 则根据对应档案的类型(包括块设备, 字元设备, fifo, 等等)赋予特定的函式集(并不直接与设备和档案系统类型相关); 2)否则, 对应的档案系统类型会提供相应的函式集, 并且目录和档案函式集很可能不同。

VFS的使用者是进程(用户访问档案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档案集合。

files_struct结构维护了一个已打开档案所对应的file结构的指针数组, 数组下标被用作用户程式操作已打开档案的句柄(通常称作fd). files_struct还维护着已使用的fd点阵图, 以便在需要打开档案时, 为其分配一个未使用的fd。

详细见参考文献。

VFS的功能包括：纪录可用的档案系统的类型；将设备同对应的档案系统联繫起来；处理一些面向档案的通用操作；涉及到针对档案系统的操作时，VFS把它们影射到与控制档案、目录以及inode相关的物理档案系统。

当某个进程发布了一个面向档案的系统调用时，核心将调用VFS中相应的函式，这个函式处理一些与物理结构无关的操作，并且把它重定向为真实档案系统中相应的函式调用，后者则用来处理那些与物理结构相关的操作。

VFS与实际档案系统的封装关係如下图所示：

VFS

MINIX FS

VFSinode快取

VFS目录快取

EXT FS

EXT2 FS

MSDS FS

缓冲存储

I/O设备驱动

图4 VFS与实际档案系统的封装关係

VFS的原始码集中在/usr/src/linux/fs目录下，关于它的数据结构的描述在档案/usr/src/lunux/include/linux/fs.h中。

VFS使用了与EXT2档案系统类似的方式：超级块和索引节点inode描述档案系统。

VFS超级块是各种逻辑档案系统在安装时建立的，并在这些档案系统卸载时自动删除，它只存在于记忆体中。VFS中保存了系统中挂接的档案系统的鍊表以及这些档案系统对应的VFS超级块。系统启动后所有被初始化的档案系统都要向VFS登记。每个已安装的档案系统由一个VFS 超块表示，它包含如下信息：

⑴Device：表示档案系统所在块设备的设备标誌符。例如系统中第一个IDE 硬碟的设备标誌符为0x301。

⑵Inode pointers：这个mounted inode指针指向档案系统中第一个inode。而covered inode指针指向此档案系统安装目录的inode。根档案系统的VFS超块不包含covered指针。

⑶Blocksize：以位元组记数的档案系统块大小，如1024 位元组。

⑷Superblock operations：指向此档案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档案系统的file_system_type结构的指针。

⑹File System specific：指向档案系统所需信息的指针。

和EXT2 档案系统相同，VFS 中的每个档案、目录等都用且只用一个VFS inode表示。每个VFS inode 中的信息通过档案系统相关例程从底层档案系统中得到。VFS inode仅存在于核心记忆体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：包含此档案或此VFS inode 代表的任何东西的设备的设备标誌符。

⑵inode number：档案系统中唯一的inode号。在虚拟档案系统中device和inode号的组合是唯一的。

⑶mode：和EXT2 中的相同, 表示此VFS inode 的存取许可权。

⑷user ids：所有者的标誌符。

⑸times：VFS inode 创建、修改和写入时间。

⑹block size：以位元组计算的档案块大小，如1024 位元组。

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

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，如用于读取档案系统时。

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

用户可以通过两种途径向核心注册档案系统：一是在编译核心时确定可支持的档案系统类型，并在系统初始化时通过内嵌的函式调用在VFS中进行注册；二是把某个档案系统当作一个模组，利用模组的载入和卸载特徵向注册表登记类型或从注册表注销。

档案系统类型的注册函式为：int register filesystem (struct file_system_type *fs)

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

file_system_type file_system_type file_system_type

*read_super()

name

owner

kem_mnt

next

*read_super()

name

owner

kem_mnt

next

*read_super()

name

owner

kem_mnt

next

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;

//档案系统的类型名，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，档案系统标识FS_REQUIRES_DEV表示档案系统只能载入在一个块设备上；FS_SINGLE表示档案系统只能有一个超级块；FS_NOMOUNT表示档案系统不能安装在用户空间上。

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

//read_super所指的函式用于读出该档案系统在外存的超级块。

struct module *owner;

//如果实现该档案系统的程式段是由module动态载入的，则指向该module；如果实现该档案系统的程式段是在核心编译时生成的，则owner = NULL。

struct vfsmount * kem_mnt;

//只为标识为FS_SINGLE的档案系统使用(For kernel mount)

struct file_system_type * next;

//档案系统类型鍊表的后续指针。

};

档案系统注册后便在设备上按一定格式建立档案系统，但是此时设备上的档案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档案。只有把它安装到档案系统中某个节点上，才能使设备上的档案和节点可被访问。因此注册了wej系统只代表Linux系统支持这种档案系统的套用，要真正使用该档案系统还必须安装它。

档案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档案系统的空闲节点上。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是要安装的档案系统的磁碟分区的路径名，如/dev/hda5。参数dir_name是要安装的档案系统的目录名；type指定磁碟分区上的档案系统类型；flags指定该档案系统如何被安装；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档案系统类型。

使用mount命令后，VFS通过file_systems在file_system_type鍊表中根据指定的档案系统名称搜寻档案系统类型信息。而函式get_fs_type()根据具体档案系统的类型名在核心中找到相应的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;

}

其中函式find_filesystem(name)扫描file_system对列，找到所需档案系统类型的数据结构。

超级用户卸载档案系统使用umount命令。

卸载过程必须检查档案系统及其超级块的状态。如果档案系统正被其他进程使用该档案系统就不能被卸载。如果档案系统的档案或目录正在使用，则VFS索引节点快取中可能包含相应的VFS索引节点。检查代码在该快取中，根据档案系统所在的设备标识符查找是否有来自该档案系统的VFS索引节点。如果有且使用计数大于0则说明该档案系统正在使用，不能被删除。如果档案系统的超级块为“髒”，即被修改，则应先将它写回到磁碟上。

档案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鍊表中断开并被释放。