介绍虚拟文件系统的原理与实现

在 Unix 的世界里，有句很经典的话：一切对象皆是文件。这句话的意思是说，可以将 Unix 操作系统中所有的对象都当成文件，然后使用操作文件的接口来操作它们。Linux 作为一个类 Unix 操作系统，也努力实现这个目标。

虚拟文件系统简介

为了实现一切对象皆是文件这个目标，Linux 内核提供了一个中间层：虚拟文件系统（Virtual File System）。

如果大家使用过面向对象编程语言（如C++/Java等）的话，应该对接口这个概念并不陌生。而虚拟文件系统类似于面向对象中的接口，定义了一套标准的接口。开发者只需要实现这套接口，即可以使用操作文件的接口来操作对象。如下图所示：

上图中的蓝色部分就是虚拟文件系统所在位置。

从上图可以看出，虚拟文件系统为上层应用提供了统一的接口。如果某个文件系统实现了虚拟文件系统的接口，那么上层应用就能够使用诸如open()、read()和write()等函数来操作它们。

今天，我们就来介绍虚拟文件系统的原理与实现。

虚拟文件系统原理

在阐述虚拟文件系统的原理前，我们先来介绍一个 Java 例子。通过这个 Java 例子，我们能够更容易理解虚拟文件系统的原理。

一个Java例子

如果大家使用过 Java 编写程序的话，那么就很容易理解虚拟文件系统了。我们使用 Java 的接口来模拟虚拟文件系统的定义：

publicinterfaceVFSFile{
intopen(Stringfile,intmode);
intread(intfd,byte[]buffer,intsize);
intwrite(intfd,byte[]buffer,intsize);
...
}

上面定义了一个名为VFSFile的接口，接口中定义了一些方法，如open()、read()和write()等。现在我们来定义一个名为Ext3File的对象来实现这个接口：

publicclassExt3FileimplementsVFSFile{
@Override
publicintopen(Stringfile,intmode){
...
}

@Override
publicintread(intfd,byte[]buffer,intsize){
...
}

@Override
publicintwrite(intfd,byte[]buffer,intsize){
...
}

...
}

现在我们就能使用VFSFile接口来操作Ext3File对象了，如下代码：

publicclassMain(){
publicstaticvoidmain(String[]args){
VFSFilefile=newExt3File();

intfd=file.open("/tmp/file.txt",0);
...
}
}

从上面的例子可以看出，底层对象只需要实现VFSFile接口，就可以使用VFSFile接口相关的方法来操作对象，用户完全不需要了解底层对象的实现过程。

虚拟文件系统原理

上面的 Java 例子已经大概说明虚拟文件系统的原理，但由于 Linux 是使用 C 语言来编写的，而 C 语言并没有接口这个概念。所以，Linux 内核使用了一些技巧来模拟接口这个概念。

下面来介绍一下 Linux 内核是如何实现的。

1. file结构

为了模拟接口，Linux 内核定义了一个名为file的结构体，其定义如下：

structfile{
...
conststructfile_operations*f_op;
...
};

在 file 结构中，最为重要的一个字段就是f_op，其类型为file_operations结构。而file_operations结构是由一组函数指针组成，其定义如下：

structfile_operations{
...
loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);
ssize_t(*read)(structfile*,char__user*,size_t,loff_t*);
ssize_t(*write)(structfile*,constchar__user*,size_t,loff_t*);
...
int(*open)(structinode*,structfile*);
...
};

从file_operations结构的定义可以隐约看到接口的影子，所以可以猜想出，如果实现了file_operations结构中的方法，应该就能接入到虚拟文件系统中。

在 Linux 内核中，file结构代表着一个被打开的文件。所以，只需要将file结构的f_op字段设置成不同文件系统实现好的方法集，那么就能够使用不同文件系统的功能。

这个过程在__dentry_open()函数中实现，如下所示：

staticstructfile*
__dentry_open(structdentry*dentry,
structvfsmount*mnt,
tructfile*f,
int(*open)(structinode*,structfile*),
conststructcred*cred)
{
...
inode=dentry->d_inode;
...
//设置file结构的f_op字段为底层文件系统实现的方法集
f->f_op=fops_get(inode->i_fop);
...
returnf;
}

设置好file结构的f_op字段后，虚拟文件系统就能够使用通用的接口来操作此文件了。调用过程如下：

2. file_operations结构

底层文件系统需要实现虚拟文件系统的接口，才能被虚拟文件系统使用。也就是说，底层文件系统需要实现file_operations结构中的方法集。

一般底层文件系统会在其内部定义好file_operations结构，并且填充好其方法集中的函数指针。如minix文件系统就定义了一个名为minix_file_operations的file_operations结构。其定义如下：

//文件：fs/minix/file.c

conststructfile_operationsminix_file_operations={
.llseek=generic_file_llseek,
.read=do_sync_read,
.aio_read=generic_file_aio_read,
.write=do_sync_write,
.aio_write=generic_file_aio_write,
.mmap=generic_file_mmap,
.fsync=generic_file_fsync,
.splice_read=generic_file_splice_read,
};

也就是说，如果当前使用的是 minix 文件系统，当使用read()函数读取其文件的内容时，那么最终将会调用do_sync_read()函数来读取文件的内容。

3. dentry结构

到这里，虚拟文件系统的原理基本分析完毕，但还有两个非常重要的结构要介绍一下的：dentry和inode。

dentry结构表示一个打开的目录项，当我们打开文件/usr/local/lib/libc.so文件时，内核会为文件路径中的每个目录创建一个dentry结构。如下图所示：

可以看到，file结构有个指向dentry结构的指针，如下所示：

structfile{
...
structpathf_path;
...
conststructfile_operations*f_op;
...
};

structpath{
...
structdentry*dentry;
};

与文件类似，目录也有相关的操作接口，所以在dentry结构中也有操作方法集，如下所示：

structdentry{
...
structdentry*d_parent;//父目录指针
structqstrd_name;//目录名字
structinode*d_inode;//指向inode结构
...
conststructdentry_operations*d_op;//操作方法集
...
};

其中的d_op字段就是目录的操作方法集。

内核在打开文件时，会为路径中的每个目录创建一个dentry结构，并且使用d_parent字段来指向其父目录项，这样就能通过d_parent字段来追索到根目录。

4. inode结构

在 Linux 内核中，inode结构表示一个真实的文件。为什么有了dentry结构还需要inode结构呢？这是因为 Linux 存在硬链接的概念。

例如使用以下命令为/usr/local/lib/libc.so文件创建一个硬链接：

ln/usr/local/lib/libc.so/tmp/libc.so

现在/usr/local/lib/libc.so和/tmp/libc.so指向同一个文件，但它们的路径是不一样的。所以，就需要引入inode结构了。如下图所示：

由于/usr/local/lib/libc.so和/tmp/libc.so指向同一个文件，所以它们都使用同一个inode对象。

inode 结构保存了文件的所有属性值，如文件的创建时间、文件所属用户和文件的大小等。其定义如下所示：

structinode{
...
uid_ti_uid;//文件所属用户
gid_ti_gid;//文件所属组
...
structtimespeci_atime;//最后访问时间
structtimespeci_mtime;//最后修改时间
structtimespeci_ctime;//文件创建时间
...
unsignedshorti_bytes;//文件大小
...
conststructfile_operations*i_fop;//文件操作方法集（用于设置file结构）
...
};

我们注意到 inode 结构有个类型为file_operations结构的字段i_fop，这个字段保存了文件的操作方法集。当用户调用open()系统调用打开文件时，内核将会使用inode结构的i_fop字段赋值给file结构的f_op字段。我们再来重温下赋值过程：

staticstructfile*
__dentry_open(structdentry*dentry,
structvfsmount*mnt,
tructfile*f,
int(*open)(structinode*,structfile*),
conststructcred*cred)
{
...
//文件对应的inode对象
inode=dentry->d_inode;
...
//使用inode结构的i_fop字段赋值给file结构的f_op字段
f->f_op=fops_get(inode->i_fop);
...
returnf;
}

总结

本文主要介绍了虚拟文件系统的基本原理，从分析中可以发现，虚拟文件系统使用了类似于面向对象编程语言中的接口概念。正是有了虚拟文件系统，Linux 才能支持各种各样的文件系统。

审核编辑：刘清