圖解Linux虛擬文件系統(tǒng)(VFS)之關(guān)系篇

作者：物聯(lián)網(wǎng)心球 2024-02-02 10:38:06

VFS的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將不同類型的文件系統(tǒng)抽象為一個(gè)統(tǒng)一的接口，使得用戶和應(yīng)用程序無(wú)需關(guān)心底層文件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。通過VFS用戶可以使用相同的系統(tǒng)調(diào)用（如open、read、write等）來(lái)訪問不同類型的文件系統(tǒng)，包括本地文件系統(tǒng)（如ext4、XFS等）、網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（如NFS、CIFS等）以及虛擬文件系統(tǒng)（如procfs、sysfs等）。

大家好，今天和大家探討一下Linux虛擬文件系統(tǒng)，虛擬文件系統(tǒng)是我一直想要去聊的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，如果你想從事Linux開發(fā)相關(guān)的工作，一定要了解虛擬文件系統(tǒng)。

1.什么是虛擬文件系統(tǒng)？

Linux虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System，VFS）是Linux操作系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它提供了一個(gè)統(tǒng)一的接口，使得用戶和應(yīng)用程序可以通過相同的方式訪問不同類型的文件系統(tǒng)。

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VFS由以下幾個(gè)主要組件組成：

虛擬文件系統(tǒng)接口：VFS定義了一組通用的文件系統(tǒng)操作接口。
超級(jí)塊（super_block）：每個(gè)文件系統(tǒng)都有一個(gè)超級(jí)塊，它包含了文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)信息，如文件系統(tǒng)類型、塊大小、inode表等，超級(jí)塊提供了對(duì)文件系統(tǒng)的整體描述和管理。
目錄項(xiàng)（dentry）：dentry是目錄項(xiàng)的縮寫，用于表示文件系統(tǒng)中的目錄和文件，dentry包含了目錄和文件對(duì)應(yīng)的inode指針，通過它可以快速定位到目錄下的文件或子目錄。
文件節(jié)點(diǎn)（inode）：inode是文件系統(tǒng)中的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)文件或目錄的元數(shù)據(jù)信息，如文件大小、權(quán)限、所有者等，每個(gè)文件或目錄都對(duì)應(yīng)一個(gè)唯一的inode。
文件對(duì)象（file）：file是表示打開文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含了對(duì)應(yīng)的inode指針、當(dāng)前讀寫位置等信息，通過file可以進(jìn)行文件的讀寫操作。

2.Linux系統(tǒng)文件樹

對(duì)于一個(gè)普通的Linux用戶或者運(yùn)維人員，Linux系統(tǒng)文件樹通常的樣子如下圖，以根文件系統(tǒng)根目錄為起點(diǎn)，通過根目錄遍歷整個(gè)文件樹。

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而在系統(tǒng)開發(fā)人員眼中，Linux系統(tǒng)文件樹則變成這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，每個(gè)文件和目錄都對(duì)應(yīng)一個(gè)dentry結(jié)構(gòu)體。

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dentry到底是什么？

dentry結(jié)構(gòu)體的主要作用是提供文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的表示，它們通過形成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)來(lái)組織目錄和文件，每個(gè)dentry都有一個(gè)唯一的路徑名，可以通過遍歷dentry樹來(lái)找到特定文件或目錄。

struct dentry結(jié)構(gòu)體定義：

struct dentry {
    struct dentry *d_parent;
    struct qstr d_name;
    struct inode *d_inode;
   
    const struct dentry_operations *d_op;
    struct super_block *d_sb; 
    struct list_head d_child;
    struct list_head d_subdirs;
    ....
};

struct dentry結(jié)構(gòu)體通過d_parent，d_child，d_subdirs等成員將文件系統(tǒng)組成一顆文件樹，要了解Linux文件系統(tǒng)，我們得學(xué)會(huì)運(yùn)用dentry。

小節(jié)：dentry是VFS重要的組成部分，要理解VFS先從dentry開始。

3.文件系統(tǒng)注冊(cè)

通過前面的學(xué)習(xí)，我們了解到dentry結(jié)構(gòu)的重要性，接下來(lái)圍繞dentry結(jié)構(gòu)體來(lái)解析文件VFS各組件之間的關(guān)系，我們先來(lái)看一下整體架構(gòu)圖：

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Linux文件系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一個(gè)file_system_type結(jié)構(gòu)體對(duì)象，file_system_type結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct file_system_type {
    const char *name;
    int fs_flags;
    int (*init_fs_context)(struct fs_context *);
    const struct fs_parameter_spec *parameters;
    struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
                 const char *, void *);
    void (*kill_sb) (struct super_block *);
    ......
};

ramfs文件系統(tǒng)定義如下，name表示文件系統(tǒng)類型，當(dāng)ramfs文件系統(tǒng)需要實(shí)例化，需要通過name查找全局文件系統(tǒng)鏈表頭找到對(duì)應(yīng)的已注冊(cè)文件系統(tǒng)，再通過已注冊(cè)文件系統(tǒng)創(chuàng)建超級(jí)塊（super block）。

static struct file_system_type ramfs_fs_type = {
      .name = "ramfs",
      .init_fs_context = ramfs_init_fs_context,
      .parameters = ramfs_fs_parameters,
      .kill_sb = ramfs_kill_sb,
      .fs_flags = FS_USERNS_MOUNT,
};

定義好文件系統(tǒng)后，通過register_filesystem函數(shù)將文件系統(tǒng)注冊(cè)至Linux系統(tǒng)，注冊(cè)成功的文件系統(tǒng)會(huì)插入全局文件系統(tǒng)鏈表，已注冊(cè)的文件系統(tǒng)能夠用來(lái)創(chuàng)建超級(jí)塊（super block）。

通過cat /proc/filesystems查看系統(tǒng)所有已注冊(cè)文件系統(tǒng)

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4.文件系統(tǒng)掛載

文件系統(tǒng)掛載就是新文件系統(tǒng)生成一個(gè)掛載實(shí)例（struct mount），讓新掛載實(shí)例和父文件系統(tǒng)的掛載實(shí)例建立父子關(guān)系。

一個(gè)新的掛載實(shí)例包括幾個(gè)重要部分：

超級(jí)塊（super_block）

超級(jí)塊用來(lái)指示新的文件系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的設(shè)備。

父掛載實(shí)例（mount）

父掛載實(shí)例表示掛載點(diǎn)所處的文件系統(tǒng)掛載實(shí)例。

掛載點(diǎn)（mountpoint）

掛載點(diǎn)是新文件系統(tǒng)和父文件系統(tǒng)之間連接的紐帶。

文件系統(tǒng)根目錄（dentry）

每個(gè)文件系統(tǒng)都有一個(gè)根目錄，當(dāng)索引一個(gè)文件路徑進(jìn)入到一個(gè)新的文件系統(tǒng)后，會(huì)從新的文件系統(tǒng)根目錄開始索引。

4.1 索引掛載點(diǎn)

索引掛載點(diǎn)的目的是為了獲取掛載點(diǎn)的struct path記錄信息，掛載點(diǎn)索引的過程就是struct path記錄信息不斷被替換的過程。

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以掛載點(diǎn)/mnt/test/dir為例來(lái)講解：

索引/目錄，獲取/目錄的path記錄信息。
索引mnt目錄，獲取mnt目錄的path記錄信息，并覆蓋/目錄的path記錄信息。
索引test目錄，獲取test目錄的path記錄信息，并覆蓋mnt目錄的path記錄信息。
索引dir目錄，獲取dir目錄的path記錄信息，并覆蓋test目錄的path記錄信息。
最終獲取到掛載點(diǎn)dir的struct path記錄信息。

struct path結(jié)構(gòu)體定義如下：

struct path {
      struct vfsmount *mnt;
      struct dentry *dentry;
};

mnt：記錄掛載點(diǎn)所在文件系統(tǒng)的掛載實(shí)例。

dentry：掛載點(diǎn)目錄dentry。

4.2 創(chuàng)建新文件系統(tǒng)掛載實(shí)例

創(chuàng)建超級(jí)塊

要?jiǎng)?chuàng)建超級(jí)塊首先要知道文件系統(tǒng)類型，mount命令通過-t參數(shù)指定文件系統(tǒng)類型，通過mount命令傳入的文件系統(tǒng)類型，可以遍歷全局文件系統(tǒng)鏈表找到已注冊(cè)的文件系統(tǒng)，通過已注冊(cè)的文件系統(tǒng)創(chuàng)建超級(jí)塊。