虚拟文件系统

2019-11-17 05:31:08

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来源：转载

供稿：网友

　　Richard Gooch
翻译：difeijing

本文档中的惯例用法

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文档中的每一节标题的右边都有一个字符串"

"。
每个小节都会有个""在右边。
这些字符串是为了在文档中查询更轻易而设的。

注重：本文档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(或者被称为Virtual Filesystem Switch)是Linux内核中的
一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口。它也提供了内核中的一
个抽象功能，答应不同的文件系统共存。

它的工作方式的概览

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在这一节里，在讲解细节问题之前，我会简单扼要的介绍一下VFS是如何工作的。
首先，介绍一下当用户程序打开或者操作文件时发生了些什么，然后看看一个文
件系统是如何被支持的。

打开一个文件
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VFS实现了open(2)系统调用。路径参数被VFS用来在目录入口缓存(dentry cache
or "dcache")。这提供了一个将路径名转化为特定的dentry的一个快的查找机制。

一个单独的dentry通常包含一个指向i节点(inode)的指针。i节点存在于磁盘驱动
器上，它可以是一个规则文件，目录，FIFO文件，等等。Dentry存在于RAM中，并
且永远不会被存到磁盘上：它们仅仅为了提高系统性能而存在。i节点存在于磁盘
上，当需要时被拷入内存中，之后对它的任何改变将被写回磁盘。存在于RAM中的
i节点就是VFS的i节点，dentry所包含的指针指向的就是它。

dcache是你的整个文件空间的观察点。跟Linus不同，我们中的大多数人不可能有
足够的RAM空间来放我们的文件空间的所有文件的目录入口缓存(dentry),所以我们
的dcache会有缺少的项。为了将路径名转换为一个dentry,VFS不得不采取创建dentry
的方式，并在创建dentry时将指针指向相应的i节点。这是通过对i节点的查找完成
的。

为了查找一个文件的i节点(通常从磁盘上读),VFS需要调用该文件的父目录的lookup()
方法，此方法是特定的文件系统所设置的。后面对此将会有更详尽的描述。

一旦VFS得到了所需要的dentry(同时也得到了相应的i节点),我们就能够对文件做想
要的操作：打开文件，或者用stat(2)来看i节点中的数据。stat(2)的操作非常简单：
在VFS得到dentry之后，它取得inode中的一些数据并将其中的一部分送回用户空间。
打开一个文件需要其它的操作：分配一个strUCt file(定义于linux/fs.h,这是内核中
的文件描述)结构。新分配的struct file结构被指向dentry的指针和对文件进行操作的
函数集合所初始化，这些都是从i节点中得到的。通过这种方式，特定的文件系统实现
才能起作用。

文件结构(struct file)被放在进程的文件描述符表中。

读，写和关闭文件(或者其它的VFS操作)是通过使用用户空间的文件描述符找到相应的
文件结构(struct file),然后调用所需要的方法函数来实现的。

当文件处于打开状态时，系统保持相应的dentry为"open"状态(正在使用),这表示相应的
i节点在被使用。

注册和安装一个文件系统
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假如你想在内核中支持一种新的文件系统的话，你所需要做的仅仅是调用函数
register_filesystem().你向内核中传递一个描述文件系统实现的结构(struct filesystem
),
此结构将被加入到内核的支持文件系统表中去。你可以运行下面的命令：

% cat /PRoc/filesystems
这样可以看到你的系统支持哪些文件系统。

当一个mount请求出现时，VFS将会为特定的文件系统调用相应的方法。安装点的
dentry结构将会被改为指向新文件系统的根i节点。

现在是看看细节的时候了，nice to look!
struct file_system_type

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此结构描述了文件系统。在内核2.1.99中，此结构的定义如下：
(注:在2.2的内核中，此结构也没有变化)
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;
};

其中各个域的意义：
name:文件系统的类型名称,如"vfat","ext2",等等。
fs_flags:变量标志,如FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE,等等.
read_super:当此种文件系统的一个新的实例要被安装时，此方法会被调用。
next:被内部的VFS实现所使用，你只需要将其初试化为NULL。

函数read_super具有以下的参数：
struct super_block *sb:超级块结构。此结构的一部分被VFS初始化，余下的部分必须被
函数read_super初始化。
void * data:任意的安装选项，通常是ASCII的字符串。
int silent:表示当出现错误时是否保持安静。(不报警?)

read_super方法必须确定指定的块设备是否包含了一个所支持的文件系统。当成功时返回
超级块结构的指针，错误时返回NULL。

read_super方法填充进超级块结构(struct super_block)的最有用的域是"s_op"域。这是
一个指向struct super_Operations的指针，此结构描述了文件系统实现的下一层细节。

struct super_operations

=======================
此结构描述了VFS对文件系统的超级块所能进行的操作。
在内核2.1.99中，此结构的定义如下：
(注:在2.2的内核中，此结构已经有了改变)
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锁的情况下被调用，这意味着大多数方法都可以
安全的被阻塞。所有的方法都仅仅在进程空间被调用（例如，在中断处理程序和底半
部中不能调用它们）

read_inode:从一个文件系统中读取一个特定的i节点时调用此方法。i节点中的域"i_ino"
又VFS初始化为指向所读的i节点，其余的域被此方法所填充。

write_inode:当VFS需要向磁盘上的一个i节点写时调用。

put_inode:当VFS的i节点被从i节点缓冲池移走时被调用。此方法是可选的。

delete_inode:当VFS想删除一个i节点时调用次方法。

notify_change:当VFS的i节点的属性被改变时调用。若此域为NULL则VFS会调用write_inode
.
此方法调用时需要锁住内核。

put_super:当VFS要释放超级块时调用(umount一个文件系统).此方法调用时需要锁住内核。

write_super:当VFS超级块需要被写入磁盘时被调用。此方法为可选的。

statfs:当VFS需要得到文件系统的统计数据时调用。此方法调用时需要锁住内核。

remount_fs:当文件系统被重新安装时调用。此方法调用时需要锁住内核。

clear_inode:当VFS清除i节点时调用。可选项。

以上方法中，read_inode需要填充"i_op"域，此域为一个指向struct inode_operations
结构的指针，它描述了能够对一个单独的i节点所能进行的操作。

struct inode_operations

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此结构描述了VFS能够对文件系统的一个i节点所能进行的操作。
在内核2.1.99中，此结构的定义如下：
(注:在2.2的内核中，此结构已经有了少许改变)
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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