5张图带你彻底搞懂Linux VFS虚拟文件系统

大家好，这里是物联网心球。

VFS（Virtual File System，虚拟文件系统）是Linux系统中一个非常重要的概念，是Linux设计思想的核心。不管你是学习Linux编程还是研究Linux内核源码，都必须对VFS有深入的理解。

    本文我们好好聊聊VFS，揭开VFS的神秘面纱。

1.VFS是什么？

如图1所示，VFS是Linux内核中的一个关键抽象层，它的主要作用包括：

• 为用户程序提供了统一的文件访问接口。

• 支持并兼容不同的文件系统（如ext4、XFS、NFS等）。

• 屏蔽底层实现细节。

图1    VFS是什么

    目前Linux可识别并挂载的文件系统类型已超过40多种，随着内核版本的迭代，文件系统的数量还在增加。文件系统按功能可以划分为以下几大类，见表1：

表1    Linux文件系统分类

    每种文件系统都有一套独立的文件访问接口。如果没有VFS，用户程序必须熟悉每种文件系统的文件访问接口，才能够很好地使用文件系统，这样显然是非常不合理的。VFS的出现，将文件系统的文件访问工作交给内核，用户程序只需要学习少量的系统调用（约为10多种）就能够轻松地访问各种文件系统。

    VFS的核心设计思想是多态（面相对象编程的三大特性之一），用户程序调用相同的文件访问接口能够实现不同的功能。这种设计方式可以屏蔽底层的细节，用户程序不再需要关注底层实现细节，只需要学会调用系统调用即可。另外，这种设计方式非常便于增加新文件系统，新文件系统添加至内核不会对原有的文件系统有任何影响（文件系统之间不存在耦合关系）。

2.VFS的四大核心对象

    VFS通过四大核心对象来实现它的核心功能，这四大核心对象分别是：

• 超级块 (super_block)：表示一个已挂载的文件系统实例。Linux挂载文件系统时，会在内存创建一个超级块，用于管理文件系统。

• 索引节点 (inode)：表示文件系统中的一个文件或目录，用于访问文件系统中的文件。

• 目录项 (dentry)：表示文件路径中的一个分量，是Linux文件树的树节点，将文件路径名与对应的inode关联起来。

• 文件对象 (file)：表示进程中一个已打开文件的实例，同一个文件可以被多个进程同时打开，每打开一次文件都要创建一个文件对象。

    我们以ext4文件系统为例，来看一下VFS的四大核心对象的作用，如图2所示。

图2    VFS四大核心对象

    dentry是Linux文件树的树节点，对应的结构为struct dentry。每个文件和目录都会对应一个dentry，dentry之间通过父子关系形成一个树形结构（类似于家族树）。

    如果把Linux文件树比作一个地图，每个dentry都是一个小的站点，文件路径就是导航路线，文件路径用于指导内核快速定位到目标文件对应的dentry。

    为什么需要先找到dentry呢？

   因为dentry的d_inode和i_sb成员分别指向索引节点（inode）和超级块（super_block）。内核需要通过inode和super_block这两个对象来访问文件系统。

    inode在Linux系统中用来唯一标识一个文件，对应的结构为struct inode。inode存储了文件的元数据以及提供了文件的操作接口，但是它并不包含的文件实际数据，因为inode属于抽象层，不能够和任何具体实现有耦合关系。每个inode都有一个唯一编号（inode号），用于在文件系统中索引文件。

    super_block是文件系统的一个实例，对应的结构为struct super_block，它包含了文件系统的元数据信息（如：文件系统类型、容量信息、结构参数、位置信息等），内核需要借助这些元数据信息才能访问文件系统。

    细心的小伙伴应该发现，图2中并没有文件对象（file），file对象后续会详细介绍。

 3.目录项（dentry）

structdentry {structdentry *d_parent;/* 指向父目录dentry */structqstrd_name;/* 文件名 */structinode *d_inode;/* 指向与该目录项关联的inode */structsuper_block *d_sb;/* 指向该dentry所属文件系统的超级块 */structlist_headd_child;/* 将当前dentry插入到其父目录dentry的d_subdirs链表中 */structlist_headd_subdirs;/* 链表头，指向该目录下的所有子dentry */    ......};

图3    dentry父子关系

4.索引节点（inode）

    索引节点（inode）的定义如下：

structinode {umode_t    i_mode; /* 文件类型和访问权限 */kuid_t        i_uid; /* 文件所有者用户ID */kgid_t        i_gid; /* 文件所有者组ID */conststructinode_operations *i_op;/* inode操作函数表 */structsuper_block  *i_sb;/* 指向所属超级块 */structaddress_space *i_mapping;/* 文件页缓存 */unsignedlong    i_ino; /* inode号，在同一个文件系统内，通过i_ino字段唯一标识一个文件 */union {constunsignedint i_nlink; /* 硬链接数 */    };loff_t  i_size; /* 文件大小（字节）*/structtimespec64i_atime;/* 最后访问时间 */structtimespec64i_mtime;/* 最后修改时间 */structtimespec64  __i_ctime;/* 状态变更时间 */blkcnt_t    i_blocks; /* 文件占用的块数量 */union {conststructfile_operations *i_fop;/* 文件操作函数表 */    };structaddress_spacei_data;/* 页缓存实体，i_mmaping指向i_data */void    *i_private; /* 私有指针 */    ......};

    inode包含基本的文件元数据，但不包含文件实际数据（因为inode同样属于抽象层，不能和具体实现有耦合关系）。ext4文件系统中文件的实际数据存储在ext4_inode_info结构中，ext4_inode_info表示一个具体的ext4文件系统文件，ext4_inode_info内部包含一个inode，二者之间为组合关系。当然不同的文件系统这部分的具体实现存在差异，需要具体情况具体分析。

    inode有两个重要的成员i_op（inode操作函数表）和i_fop（文件操作函数表）。

    i_op主要负责处理与文件或目录本身相关的元数据操作和结构性操作，如：创建和创建文件、删除文件、查找文件、修改权限等。

    i_fop的类型为struct file_operations结构，其定义如下：

structfile_operations {loff_t (*llseek)(......); /* 修改文件当前读写位置，实现文件定位 */ssize_t (*read)(......); /* 读取文件数据到用户空间 */ssize_t (*write)(......); /* 将用户空间数据写入文件 */__poll_t (*poll)(......); /* 支持I/O多路复用机制(select/poll/epoll) */int (*mmap)(......); /* 将设备内存映射到用户空间 */int (*open)(......); /* 打开文件时初始化资源 */int (*release) (......); /* 关闭文件时，释放资源 */int (*flush)(......); /* 关闭前刷新待处理的文件数据 */int (*fasync)(......); /* 设置/清除设备的异步通知机制 */int (*fsync)(......); /* 将文件数据同步写入磁盘 */ssize_t (*splice_write)(......); /* splice 零拷贝：管道→文件 */ssize_t (*splice_read)(......); /* splice 零拷贝：文件→管道 */    ......};

    i_fop函数表中定义的函数接口，大家应该都不陌生。这些函数是Linux编程中经常会用到的函数，我们平时调用的文件操作相关的函数接口都是通过i_fop来实现的。

    VFS之所以能够为用户程序提供统一的文件访问接口，都是因为i_fop默默地完成了这些文件访问接口的具体实现，如图4所示。

图4    VFS实现接口统一

    当用户程序执行文件操作时，内核通过文件路径查找文件树找到目标文件对应的dentry，再从dentry获取inode，再通过inode的i_fop找到实际文件系统的文件操作函数表，最后调用函数表中对应的函数。

    每种文件系统类型的文件操作函数表都不一样（图4中只列举了一些常用的文件操作函数表）。文件创建的过程中，内核根据文件系统类型动态的给i_fop赋值， 从而实现“接口统一、具体实现不一样”的动态多态特性。

 5.文件对象（file）

    文件对象（file）的定义如下：

structfile {fmode_t  f_mode; /* 文件打开模式（读/写/执行）*/loff_t            f_pos; /* 当前文件偏移量（读写位置）*/unsignedint  f_flags; /* 打开标志（如O_NONBLOCK、O_SYNC）*/structfown_structf_owner;/* 文件属主信息，用于信号通知 */structpathf_path;/* 文件路径信息（dentry + mount）*/structinode  *f_inode;/* 指向inode的指针，文件元数据 */conststructfile_operations *f_op;/* 文件操作函数表（read/write等）*/structaddress_space *f_mapping;/* 文件地址空间，用于mmap */    ......} ;

    文件对象（file）用于记录已打开文件的状态信息，一个文件可以被多个进程多次打开，每次打开一个文件都需要创建一个新的file。

图5    进程打开文件过程

    Linux进程打开文件过程如图5所示。

    用户程序调用open函数打开一个文件时，内核会根据open函数传入的文件路径查找文件树，找到目标文件对应的dentry，再通过dentry找到inode。如果文件不存在（文件树中没有对应的dentry和inode），open函数可以创建文件并生成dentry和inode。

    获取到inode后，内核会创建一个新的file，同时将inode的关键信息复制给file，如：

• file的f_op将指向inode的i_fop，file将直接使用inode的文件操作函数表。

• file的f_mapping成员将指向inode的f_mmaping，通过file可以访问inode的页缓存。

• 同时file的f_inode将指向inode，file和inode进行绑定。

    内核最后会申请一个未使用的fd（文件描述符），将fd和file进行映射，并将这种映射关系记录在进程的已打开文件表。后续的文件操作，只需要通过fd查找进程已打开文件表获取file，就能通过file访问文件了，从而避免每次文件访问都需要索引Linux文件树。

 6.超级块（super block）

    超级块（super_block）的定义如下：

structsuper_block {dev_t             s_dev; /* 设备号 */unsignedchar       s_blocksize_bits; /* 文件系统数据块大小的位数 */unsignedlong       s_blocksize; /* 文件系统数据块大小（字节为单位）*/loff_t            s_maxbytes; /* 该文件系统支持的最大文件长度 */structfile_system_type *s_type;/* 文件系统类型 */conststructsuper_operations   *s_op;/* 超级块操作函数表 */unsignedlong       s_magic; /* 魔数，标识文件系统类型（如 Ext4 为 0xEF53）*/structdentry       *s_root;/* 超级块（文件系统）根目录 */structblock_device *s_bdev;/* 指向块设备 */void              *s_fs_info; /* 文件系统私有数据指针 */structlist_heads_inodes;/* 指向文件系统中所有 inode 的链表头 */    ......};

    super_block是文件系统的控制中心，用于管理整个文件系统。

    主要作用：

• 存储文件系统的全局信息和运行状态，减少磁盘I/O。

• 提供文件系统操作方法（s_op文件系统函数表）。

• 以s_root为根目录，建立和维护文件系统内部文件树。

• 通过s_fs_info可以访问实际文件系统超级块。

总结：

    我的新书《图解Linux网络编程》发布了，如果你想系统性地学习Linux网络编程，从底层原理到上层应用彻底通关Linux网络编程，欢迎入手我的新书。