linux 虚拟文件可以系统实现

linux 虚拟文件可以系统实现

虚拟文件系统本身是linux内核的一部分，是纯软件的东西，并不需要任何硬件的支持。

1. 虚拟文件系统的作用

虚拟文件系统(VFS)是linux内核和存储设备之间的抽象层，主要有以下好处。

- 简化了应用程序的开发：应用通过统一的系统调用访问各种存储介质

- 简化了新文件系统加入内核的过程：新文件系统只要实现VFS的各个接口即可，不需要修改内核部分

2. 虚拟文件系统的4个主要对象

虚拟文件中的4个主要对象，具体每个对象的含义参见如下的详细介绍。

2.1 超级块

超级块(super_block)主要存储文件系统相关的信息，这是个针对文件系统级别的概念。

它一般存储在磁盘的特定扇区中，但是对于那些基于内存的文件系统(比如proc,sysfs)，超级块是在使用时创建在内存中的。

超级块的定义在：

2.2 索引节点

索引节点是VFS中的核心概念，它包含内核在操作文件或目录时需要的全部信息。

一个索引节点代表文件系统中的一个文件(这里的文件不仅是指我们平时所认为的普通的文件，还包括目录，特殊设备文件等等)。

索引节点和超级块一样是实际存储在磁盘上的，当被应用程序访问到时才会在内存中创建。

索引节点定义在：

2.3 目录项

和超级块和索引节点不同，目录项并不是实际存在于磁盘上的。

在使用的时候在内存中创建目录项对象，其实通过索引节点已经可以定位到指定的文件，

但是索引节点对象的属性非常多，在查找，比较文件时，直接用索引节点效率不高，所以引入了目录项的概念。

每个目录项对象都有3种状态：被使用，未使用和负状态

- 被使用：对应一个有效的索引节点，并且该对象由一个或多个使用者

- 未使用：对应一个有效的索引节点，但是VFS当前并没有使用这个目录项

- 负状态：没有对应的有效索引节点（可能索引节点被删除或者路径不存在了）

目录项的目的就是提高文件查找，比较的效率，所以访问过的目录项都会缓存在slab中。

slab中缓存的名称一般就是 dentry，可以通过如下命令查看：

[wangyubin@localhost kernel]$ sudo cat /proc/slabinfo | grep dentrydentry 212545 212625 192 21 1 : tunables 0 0 0 : slabdata 10125 10125 0

目录项定义在：

2.4 文件对象

文件对象表示进程已打开的文件，从用户角度来看，我们在代码中操作的就是一个文件对象。

文件对象反过来指向一个目录项对象（目录项反过来指向一个索引节点）

其实只有目录项对象才表示一个已打开的实际文件，虽然一个文件对应的文件对象不是唯一的，但其对应的索引节点和目录项对象却是唯一的。

文件对象的定义在:

/* * 文件对象结构中定义的字段非常多， * 这里只介绍一些重要的属性 */struct file { union { struct list_head fu_list; /* 文件对象链表 */ struct rcu_head fu_rcuhead; /* 释放之后的RCU链表 */ } f_u; struct path f_path; /* 包含的目录项 */ const struct file_operations *f_op; /* 文件操作函数 */ atomic_long_t f_count; /* 文件对象引用计数 */};/* * 其中的 f_op 中定义了文件对象的操作方法 * 这里只介绍一些相对重要的函数 */struct file_operations { /* 用于更新偏移量指针,由系统调用lleek()调用它 */ loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); /* 由系统调用read()调用它 */ ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); /* 由系统调用write()调用它 */ ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); /* 由系统调用 aio_read() 调用它 */ ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); /* 由系统调用 aio_write() 调用它 */ ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); /* 将给定文件映射到指定的地址空间上,由系统调用 mmap 调用它 */ int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); /* 创建一个新的文件对象,并将它和相应的索引节点对象关联起来 */ int (*open) (struct inode *, struct file *); /* 当已打开文件的引用计数减少时,VFS调用该函数 */ int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);};

2.5 四个对象之间关系图

上面分别介绍了4种对象分别的属性和方法,下面用图来展示这4个对象的和VFS之间关系以及4个对象之间的关系。

3. 文件系统相关的数据结构

处理上面4个主要的对象之外，VFS中还有2个专门针对文件系统的2个对象，

- struct file_system_type: 用来描述文件系统的类型（比如ext3,ntfs等等）

- struct vfsmount        : 描述一个安装文件系统的实例

file_system_type 结构体位于：

每种文件系统,不管由多少个实例安装到系统中,还是根本没有安装到系统中,都只有一个 file_system_type 结构。

当文件系统被实际安装时，会在安装点创建一个 vfsmount 结构体。

结构体代表文件系统的实例，也就是文件系统被安装几次，就会创建几个 vfsmount

vfsmount 的定义参见：

4. 进程相关的数据结构

以上介绍的都是在内核角度看到的 VFS 各个结构，所以结构体中包含的属性非常多。

而从进程的角度来看的话，大多数时候并不需要那么多的属性，所有VFS通过以下3个结构体和进程紧密联系在一起。

- struct files_struct  ：由进程描述符中的 files 目录项指向，所有与单个进程相关的信息(比如打开的文件和文件描述符)都包含在其中。

- struct fs_struct     ：由进程描述符中的 fs 域指向，包含文件系统和进程相关的信息。

- struct mmt_namespace ：由进程描述符中的 mmt_namespace 域指向。

struct files_struct 位于：

struct files_struct { atomic_t count; /* 使用计数 */ struct fdtable *fdt; /* 指向其他fd表的指针 */ struct fdtable fdtab;/* 基 fd 表 */ spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp; /* 单个文件的锁 */ int next_fd; /* 缓存下一个可用的fd */ struct embedded_fd_set close_on_exec_init; /* exec()时关闭的文件描述符链表 */ struct embedded_fd_set open_fds_init; /* 打开的文件描述符链表 */ struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; /* 缺省的文件对象数组 */};

struct fs_struct 位于：

struct fs_struct { int users; /* 用户数目 */ rwlock_t lock; /* 保护结构体的读写锁 */ int umask; /* 掩码 */ int in_exec; /* 当前正在执行的文件 */ struct path root, pwd; /* 根目录路径和当前工作目录路径 */};

struct mmt_namespace 位于：

但是在2.6内核之后似乎没有这个结构体了，而是用 struct nsproxy 来代替。

以下是 struct task_struct 结构体中关于文件系统的3个属性。

struct task_struct 的定义位于：

/* filesystem information */ struct fs_struct *fs;/* open file information */ struct files_struct *files;/* namespaces */ struct nsproxy *nsproxy;

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