Linux 内核101：虚拟文件系统的使命

Linux 的成功有一部分原因在于能够很好的支持不同的文件系统，你能够轻松透明地把 Windows、其他 Unix 系统、甚至是占有极小份额的 Amiga 使用的文件系统 mount 到 Linux 的文件系统中。这是通过 Virtual Filesystem （以下简称 VFS）实现的。

VFS 背后的 idea 是在 kernel 中抽象出不同文件系统，针对具体的文件系统，Linux kernel 实现具体的操作方法。当系统调用 read 、 write 发生时，kernel 根据操作的具体文件系统，比如 native Linux文件系统、NTFS（Windows NT）等，调用相对应的函数。

实例： cp

要执行一个 cp 指令：

cp /floppy/TEST /tmp/test
复制代码

其中 /floppy 是一个 mount 的MS-DOS文件系统，而 /tmp 是 ext2。 VFS 就是应用程序和底层文件系统实现之间的一个抽象层 ， cp 不需要知道 /floppy/TEST 个 /tmp/test 的文件系统类型，它只需要调用标准的系统调用，比如 read 、 write 这些， 把底层文件系统不同带来的复杂度交给 kernel 。

示例的代码如下：

inf = open("/floppy/TEST", O_RDONLY, 0);
outf = open("/tmp/test",
       O_WRONLY|O_CREAT|O_TRUNC, 0600);
do {
    i = read(inf, buf, 4096);
    write(outf, buf, i);
  } while (i);
close(outf);
close(inf);
复制代码

示意图：

代码和截图来源于 《Understanding the Linux Kernel, Third Edition》 P457

VFS 支持的文件系统

VFS 支持嗯文件系统一共分为下面三大类：

1. Disk-based FS

本地的 disk。包括：

• ext2, etx3, ext4
• Unix 家族，比如 sysv 文件系统、UFS（BSD，solaris）、MINIX等
• Microsoft 文件系统，比如 MS-DOS、NTFS
• ISO9660 CD-ROM（之前的High Sierra Filesystem）
• 其他冷门

2. Network FS

这一类支持访问远程的文件系统，比如 NFS、Coda、AFS 等。

3. Special FS

如 /proc 虚拟文件系统。

通常来说，root 目录为 Linux 原生的 ext2 、 ext3 、 ext4 ，其他类型的文件系统通过 mount 形式 mount 到某个特定子目录。

Common File Model

VFS 背后的核心idea： 用common file model表示所有现实中的FS。这个模型严格使用原生Unix FS 模型，每个特定的 FS 都需要将自己的硬件结构翻译成 common file model。

比如在 common file model 中，目录也被看做文件，包含其他的文件盒目录。然而，一些非 Unix 的 FS，使用的是 file allocation table（FAT），这种情况下，目录不是文件。但是为了遵循 common file model的规则，Linux 对这种 FAT-based 的 FS，必须能够抽象出一个遵循common file model 的接口。

更加具体点，Linux kernel 在处理 read 、 ioctl 这些系统调用的时候，不能直接硬编码，使用某个特定的底层函数。kernel实际上针对每一个操作，使用的是一个指针，这个指针指向了针对此文件系统专门的处理函数。

让我们来看看kernel 是如何完成上面提到的 cp 操作的。

应用层调用 read() ，kernel 实际上会调用 sys_read() service routine（其他的系统调用也一样）。MS-DOS FS 的文件被 kernel memory 中的一个数据结构表示，这个数据结构包含一个 f_op 字段，指向的是针对 MS-DOS 的 read 函数。 sys_read() 找到这个函数然后调用它。所以整个过程可以看作是：

read() -> sys_read() -> file data structure -> f_op -> read_for_msdos()
复制代码

调用 write() 也一样，这个系统调用会触发针对 ext2 FS 的写调用。

简要来说， 对于每个 open()创建的 file object，kernel 需要负责正确赋值此 file object的指针，指向针对此文件系统的特定函数，然后调用这些函数。

CFM 包含哪些 object types

• superblock object：包含的是 mounted FS 的数据。
• indoe object：特定文件的数据。对于 disk-based FS，这个 object 一般对应一个 file control block。每个 inode object 都有一个 inode number，唯一指定 FS 中的某一个文件。
• file object：一个open file 和进程之间的交互信息。这个 object 只在进程打开文件的时候在kernel memory 中存在
• dentry object：文件名到inode的映射，不同的 FS 有不同的底层实现。

总结一下

VFS 是应用和特定文件系统之间的一层抽象，有些操作能够直接在 VFS 层完成，不需要涉及到底层的具体文件系统。比如说，当进程close file的时候，disk 上的文件本身是不会改变的，所以 VFS 只要把对应的 file 对象释放掉就行了。再比如说， lseek() 系统调用，改变的也是内存中的 file 对象，而不需要设计底层的文件系统。