虛擬文件系統

2019-11-17 05:31:08

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　Richard Gooch
翻譯：difeijing

本文檔中的慣例用法

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文檔中的每一節標題的右邊都有一個字符串"

"。
每個小節都會有個""在右邊。
這些字符串是為了在文檔中查詢更輕易而設的。

注重：本文檔的最新更新可在下面找到：
http://www.atnf.csiro.au/~rgooch/linux/docs/vfs.txt

它到底是什么？

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Virtual File System(或者被稱為Virtual Filesystem Switch)是Linux內核中的
一個軟件層，用于給用戶空間的程序提供文件系統接口。它也提供了內核中的一
個抽象功能，答應不同的文件系統共存。

它的工作方式的概覽

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在這一節里，在講解細節問題之前，我會簡單扼要的介紹一下VFS是如何工作的。
首先，介紹一下當用戶程序打開或者操作文件時發生了些什么，然后看看一個文
件系統是如何被支持的。

打開一個文件
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VFS實現了open(2)系統調用。路徑參數被VFS用來在目錄入口緩存(dentry cache
or "dcache")。這提供了一個將路徑名轉化為特定的dentry的一個快的查找機制。

一個單獨的dentry通常包含一個指向i節點(inode)的指針。i節點存在于磁盤驅動
器上，它可以是一個規則文件，目錄，FIFO文件，等等。Dentry存在于RAM中，并
且永遠不會被存到磁盤上：它們僅僅為了提高系統性能而存在。i節點存在于磁盤
上，當需要時被拷入內存中，之后對它的任何改變將被寫回磁盤。存在于RAM中的
i節點就是VFS的i節點，dentry所包含的指針指向的就是它。

dcache是你的整個文件空間的觀察點。跟Linus不同，我們中的大多數人不可能有
足夠的RAM空間來放我們的文件空間的所有文件的目錄入口緩存(dentry),所以我們
的dcache會有缺少的項。為了將路徑名轉換為一個dentry,VFS不得不采取創建dentry
的方式，并在創建dentry時將指針指向相應的i節點。這是通過對i節點的查找完成
的。

為了查找一個文件的i節點(通常從磁盤上讀),VFS需要調用該文件的父目錄的lookup()
方法，此方法是特定的文件系統所設置的。后面對此將會有更詳盡的描述。

一旦VFS得到了所需要的dentry(同時也得到了相應的i節點),我們就能夠對文件做想
要的操作：打開文件，或者用stat(2)來看i節點中的數據。stat(2)的操作非常簡單：
在VFS得到dentry之后，它取得inode中的一些數據并將其中的一部分送回用戶空間。
打開一個文件需要其它的操作：分配一個strUCt file(定義于linux/fs.h,這是內核中
的文件描述)結構。新分配的struct file結構被指向dentry的指針和對文件進行操作的
函數集合所初始化，這些都是從i節點中得到的。通過這種方式，特定的文件系統實現
才能起作用。

文件結構(struct file)被放在進程的文件描述符表中。

讀，寫和關閉文件(或者其它的VFS操作)是通過使用用戶空間的文件描述符找到相應的
文件結構(struct file),然后調用所需要的方法函數來實現的。

當文件處于打開狀態時，系統保持相應的dentry為"open"狀態(正在使用),這表示相應的
i節點在被使用。

注冊和安裝一個文件系統
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假如你想在內核中支持一種新的文件系統的話，你所需要做的僅僅是調用函數
register_filesystem().你向內核中傳遞一個描述文件系統實現的結構(struct filesystem
),
此結構將被加入到內核的支持文件系統表中去。你可以運行下面的命令：

% cat /PRoc/filesystems
這樣可以看到你的系統支持哪些文件系統。

當一個mount請求出現時，VFS將會為特定的文件系統調用相應的方法。安裝點的
dentry結構將會被改為指向新文件系統的根i節點。

現在是看看細節的時候了，nice to look!
struct file_system_type

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此結構描述了文件系統。在內核2.1.99中，此結構的定義如下：
(注:在2.2的內核中，此結構也沒有變化)
struct file_system_type {
const char *name;
int fs_flags;
struct super_block *(*read_super) (struct super_block *, void *, int);
struct file_system_type * next;
};

其中各個域的意義：
name:文件系統的類型名稱,如"vfat","ext2",等等。
fs_flags:變量標志,如FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE,等等.
read_super:當此種文件系統的一個新的實例要被安裝時，此方法會被調用。
next:被內部的VFS實現所使用，你只需要將其初試化為NULL。

函數read_super具有以下的參數：
struct super_block *sb:超級塊結構。此結構的一部分被VFS初始化，余下的部分必須被
函數read_super初始化。
void * data:任意的安裝選項，通常是ASCII的字符串。
int silent:表示當出現錯誤時是否保持安靜。(不報警?)

read_super方法必須確定指定的塊設備是否包含了一個所支持的文件系統。當成功時返回
超級塊結構的指針，錯誤時返回NULL。

read_super方法填充進超級塊結構(struct super_block)的最有用的域是"s_op"域。這是
一個指向struct super_Operations的指針，此結構描述了文件系統實現的下一層細節。

struct super_operations

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此結構描述了VFS對文件系統的超級塊所能進行的操作。
在內核2.1.99中，此結構的定義如下：
(注:在2.2的內核中，此結構已經有了改變)
struct super_operations {
void (*read_inode) (struct inode *);
void (*write_inode) (struct inode *);
void (*put_inode) (struct inode *);
void (*delete_inode) (struct inode *);
int (*notify_change) (struct dentry *, struct iattr *);
void (*put_super) (struct super_block *);
void (*write_super) (struct super_block *);
int (*statfs) (struct super_block *, struct statfs *, int);
int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
void (*clear_inode) (struct inode *);
};

除非非凡提出，所有的方法都在未加鎖的情況下被調用，這意味著大多數方法都可以
安全的被阻塞。所有的方法都僅僅在進程空間被調用（例如，在中斷處理程序和底半
部中不能調用它們）

read_inode:從一個文件系統中讀取一個特定的i節點時調用此方法。i節點中的域"i_ino"
又VFS初始化為指向所讀的i節點，其余的域被此方法所填充。

write_inode:當VFS需要向磁盤上的一個i節點寫時調用。

put_inode:當VFS的i節點被從i節點緩沖池移走時被調用。此方法是可選的。

delete_inode:當VFS想刪除一個i節點時調用次方法。

notify_change:當VFS的i節點的屬性被改變時調用。若此域為NULL則VFS會調用write_inode
.
此方法調用時需要鎖住內核。

put_super:當VFS要釋放超級塊時調用(umount一個文件系統).此方法調用時需要鎖住內核。

write_super:當VFS超級塊需要被寫入磁盤時被調用。此方法為可選的。

statfs:當VFS需要得到文件系統的統計數據時調用。此方法調用時需要鎖住內核。

remount_fs:當文件系統被重新安裝時調用。此方法調用時需要鎖住內核。

clear_inode:當VFS清除i節點時調用。可選項。

以上方法中，read_inode需要填充"i_op"域，此域為一個指向struct inode_operations
結構的指針，它描述了能夠對一個單獨的i節點所能進行的操作。

struct inode_operations

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此結構描述了VFS能夠對文件系統的一個i節點所能進行的操作。
在內核2.1.99中，此結構的定義如下：
(注:在2.2的內核中，此結構已經有了少許改變)
struct inode_operations {
struct file_operations * default_file_ops;
int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int);
int (*lookup) (struct inode *,struct dentry *);
int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int);
int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
int (*mknod) (struct

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