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Linux虚拟文件系统

news 来源：原创 2025/6/19 19:20:26

参考：深入分析LINUX内核源码

深入分析Linux内核源码 (kerneltravel.net)

作为一个最著名的自由软件，Linux 确实名不虚传，几乎处处体现了“自由”，你可以编译适合自己系统要求的内核，或者轻松添加别人开发的新的模块。只要你有实力，你还可以自己写一个新的 Linux 支持的文件系统。写一个新的文件系统虽然是一个“耸人听闻”的事，但 Linux 确实有这样一个特点，就是可以很方便地支持别的操作系统的文件系统，比如 Windows 的文件系统就被 Linux 所支持。Linux 不仅支持多种文件系统，而且还支持这些文件系统相互之间进行访问，这一切都要归功于神奇的虚拟文件系统。

概述

虚拟文件系统又称虚拟文件系统转换（Virual Filesystem Switch ，简称 VFS）。说它虚拟，是因为它所有的数据结构都是在运行以后才建立，并在卸载时删除，而在磁盘上并没有存储这些数据结构。如果只有 VFS，系统是无法工作的，因为它的这些数据结构不能凭空而来，只有与实际的文件系统，如 Ext2、Minix、MSDOS、VFAT 等相结合，才能开始工作，所以 VFS 并不是一个真正的文件系统。与 VFS 相对应，我们称 Ext2、Minix、MSDOS 等为具体文件系统。

1．虚拟文件系统的作用

在第一章 Linux 内核结构一节中，我们把 VFS 称为内核的一个子系统，其他子系统只与 VFS 打交道，而并不与具体文件系统发生联系。对具体文件系统来说，VFS 是一个管理者，而对内核的其他子系统来说，VFS 是它们与具体文件系统的一个接口，整个 Linux 中文件系统的逻辑关系如图 8.1 所示。

VFS 提供一个统一的接口（实际上就是 file_operatoin 数据结构，稍后介绍），一个具体文件系统要想被 Linux 支持，就必须按照这个接口编写自己的操作函数，而将自己的细节对内核其他子系统隐藏起来。因而，对内核其他子系统以及运行在操作系统之上的用户程序而言，所有的文件系统都是一样的。实际上，要支持一个新的文件系统，主要任务就是编写这些接口函数。概括说来，VFS 主要有以下几个作用。

（1）对具体文件系统的数据结构进行抽象，以一种统一的数据结构进行管理。

（2）接受用户层的系统调用，例如 write、open、stat、link 等。

（3）支持多种具体文件系统之间相互访问。

（4）接受内核其他子系统的操作请求，特别是内存管理子系统。

通过 VFS，Linux 可以支持很多种具体文件系统，表 8.1 是 Linux 支持的部分具体文件系统。

2．VFS 所处理的系统调用

表 8.2 列出 VFS 的系统调用，这些系统调用涉及文件系统、常规文件、目录及符号链接。另外还有少数几个由 VFS 处理的其他系统调用：诸如 ioperm( )、ioctl( )、pipe( )和 mknod( )，涉及设备文件和管道文件，有些内容在下一章进行讨论。由 VFS 处理的最后一组系统调用，诸如 socket( )、connect( )、bind( )和 protocols( )，属于套接字系统调用并用于实现网络功能。

前面我们已经提到，VFS 是应用程序和具体的文件系统之间的一个层。不过，在某些情况下，一个文件操作可能由 VFS 本身去执行，无需调用下一层程序。例如，当某个进程关闭一个打开的文件时，并不需要涉及磁盘上的相应文件，因此，VFS 只需释放对应的文件对象。类似地，如果系统调用 lseek()修改一个文件指针，而这个文件指针指向有关打开的文件与进程交互的一个属性，那么 VFS 只需修改对应的文件对象，而不必访问磁盘上的文件，因此，无需调用具体的文件系统子程序。从某种意义上说，可以把 VFS 看成“通用”文件系统，它在必要时依赖某种具体的文件系统。

VFS 中的数据结构

虚拟文件系统所隐含的主要思想在于引入了一个通用的文件模型，这个模型能够表示所有支持的文件系统。该模型严格遵守传统 UNIX 文件系统提供的文件模型。你可以把通用文件模型看作是面向对象的，在这里，对象是一个软件结构，其中既定义了数据结构也定义了其上的操作方法。出于效率的考虑，Linux 的编码并未采用面向对象的程序设计语言（比如 C++）。因此对象作为数据结构来实现：数据结构中指向函数的域就对应于对象的方法。通用文件模型由下列对象类型组成。

• 超级块（superblock）对象：存放系统中已安装文件系统的有关信息。对于基于磁盘的文件系统，这类对象通常对应于存放在磁盘上的文件系统控制块，也就是说，每个文件系统都有一个超级块对象。

• 索引节点（inode）对象：存放关于具体文件的一般信息。对于基于磁盘的文件系统，这类对象通常对应于存放在磁盘上的文件控制块（FCB），也就是说，每个文件都有一个索引节点对象。每个索引节点对象都有一个索引节点号，这个号唯一地标识某个文件系统中的指定文件。

• 目录项（dentry）对象：存放目录项与对应文件进行链接的信息。VFS 把每个目录看作一个由若干子目录和文件组成的常规文件。例如，在查找路径名/tmp/test 时，内核为根目录“/”创建一个目录项对象，为根目录下的 tmp 项创建一个第 2 级目录项对象，为/tmp 目录下的 test 项创建一个第 3 级目录项对象。

• 文件（file）对象：存放打开文件与进程之间进行交互的有关信息。这类信息仅当进程访问文件期间存在于内存中。

下面我们讨论超级块、索引节点、目录项及文件的数据结构，它们的共同特点有两个：

• 充分考虑到对多种具体文件系统的兼容性；

• 是“虚”的，也就是说只能存在于内存。

这正体现了 VFS 的特点，在下面的描述中，读者也许能体会到以上特点。

内容太多，具体参考开头连接的pdf。

暂略

Linux虚拟文件系统

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概述

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