理解Linux虚拟文件系统VFS

当前，除了linux标准的文件系统Ext2/Ext3/Ext4外，还有很多种文件系统，比如reiserfs, xfs, Windows的vfat NTFS，网络文件系统nfs 以及flash 文件系统jffs2, yaffs/yaffs2 ubifs。linux通过叫做VFS的中间层对这些文件系统提供了完美的支持。

对于用户来说，这些文件系统几乎是透明的，在大部分情况下，用户通过libc和kernel的VFS交互，不需要关心底层文件系统的具体实现，但是有时应用程序也需要考虑底层文件系统限制（比如fat vfat不支持链接，比如各个文件系统支持最大文件限制不同）。

VFS存在的意义

1. 向上，对应用层提供一个标准的文件操作接口；

2. 对下，对文件系统提供一个标准的接口，以便其他操作系统的文件系统可以方便的移植到Linux上；

3. VFS内部则通过一系列高效的管理机制，比如inode cache, dentry cache 以及文件系统的预读等技术，使得底层文件系统不需沉溺到复杂的内核操作，即可获得高性能；

4. 此外VFS把一些复杂的操作尽量抽象到VFS内部，使得底层文件系统实现更简单。

VFS架构图

文件系统分类

文件系统一般可以分为以下几类

1. 磁盘文件系统

这类文件系统数目最多，最常见：ext2/ext3/ext4文件系统；resierfs文件系统 SGI的XFS文件系统；jffs2 yaffs ubifs等flash文件系统；crasmfs squashfs等只读文件系统；fat vfa ntfs等windows文件系统；

这类文件系统大部分都是基于块设备的文件系统，文件系统的数据和元数据都保存在块设备上；flash文件系统略有差别，flash文件系统是位于MTD之上的，

flash文件系统需要处理坏快，垃圾收集，磨损平衡等复杂的功能。f随着SD/MMC卡的普及，以及flash文件系统在可扩展性，启动速度上的先天不足。flash文件系统已经慢慢退出了嵌入式舞台。

cramfs squashfs存在的意义在于简单，高效，稳定（简单的东西自然稳定），在文件系统只读的场景，仍然会被用到。二者的共同特点就是只读，压缩。我们要有这样一个概念，文件系统的复杂来源于写数据，删除，truncate操作，目录添加删除等，因此一个只读文件系统远比可读写文件系统简单。最直观的方法就是查看cramfs文件系统实现代码行数，只有区区两个小文件。

Reiserfs 提出了很多文件系统的新概念，对小文件的读写操作做了很大的优化，当然新概念过多，也是导致可读性可理解性差的原因。此外由于reiserfs的作者Hans reiserfs因为杀妻罪名成立，所以reiserfs的开发也受到了影响。

XFS相当的复杂，后面我会单独开一篇分析

2. 特别的文件系统

此类文件系统也很常用，他们不是提供常规文件的存储和访问，文件系统建立在内存之上，提供特殊的文件系统功能。如proc文件系统，pipe文件系统，以及tmpfs

3. 网络文件系统

包括NFS CODA AFS等网络文件系统

通用文件模型

VFS为底层文件系统提供了抽象，有两种策略提供这种抽象。

1. 提供一个最小的通用模型，使得这个模型支持的功能是所有文件系统的最小交集

2. 提供一个尽量大的通用模型，使得这个模型包含所有文件系统功能的合集。

Linux采用第二种策略来实现VFS，因此VFS封装了底层文件系统的所有功能和抽象，VFS负责把应用层的请求转发给特定的文件系统。

在处理文件时，应用空间和内核空间使用的对象是不同的。对应用程序来说，文件描述符用来表示一个文件，这个文件描述符是打开文件时内核分配给这个文件的一个整数，注意，这个文件描述符只在本进程内有效；而对于内核来说，则使用一个inode来表示一个文件，这个inode可能对应着应用层多个进程内的多个文件描述符。

inode

内核中的每一个文件或者目录都有一个inode，inode由两个主要部分组成：

1. 描述文件状态的元数据，文件元数据包括文件大小，权限，类型，时间；

2. 文件数据描述，则用来定义文件数据在磁盘上的存放位置。

inode仅仅是文件在内核内存中的表现形式，虽然每个文件都有inode，但是并不是每个文件在磁盘上都有对应磁盘inode，实际上有些文件系统并没有磁盘inode，inode的生成有时要借助文件系统扫描。

链接

链接是unix特有的概念，又分为软链接和硬链接

软链接又称为符号链接，软链接文件内容指向一个文件路径，也就是文件真实位置，软链接指向的文件也可以是软链接

硬链接是两个文件共享同一个inode，

并不是所有的文件系统都支持符号链接和硬链接，比如fat, yaffs等文件系统并不支持符号链接。一般来说，没有磁盘目录结构的文件系统肯定不支持硬链接，而没有磁盘inode的肯定不支持链接。

软硬链接虽然为linux/unix操作管理带来了很多便利，但是在很多软件实现上，往往引入很大的复杂性。

VFS 对象类型

VFS通用模型包含以下类型对象:

1. super block

存储文件系统相关的信息，对于磁盘文件系统来说，这个对象通常对应磁盘上的一个文件系统控制块（磁盘super block）

2. inode

存储一个文件相关的信息，对于磁盘文件系统，这个对象通常对应磁盘上的一个文件控制块(磁盘inode)。每一个inode都对应一个编号，可以在文件系统内唯一标识这个文件。

3. file

file是和进程相关的，file代表一个打开的文件，file和inode之间是多对一的关系，因为多个进程可以打开同一个文件，系统会为每一次打开都创建一个file结构。

4. dentry

底层文件系统的许多操作严重依赖文件的inode，在进行文件操作前，我们需要根据路径名找到文件对应的inode。我们知道文件系统是树状结构的，因此需要从根目录通过目录树找到要操作的文件或目录，这个遍历过程涉及到磁盘操作，非常耗时。根据局部性原理，很有必要把这个查找过程cache起来，dentry就是为了加快目录遍历操作引入的数据结构。

每一个基于磁盘的文件系统，都有特定的方法用来构建目录树。一般来说有两种方式：

1. 磁盘上保存着目录项

2. 通过磁盘文件的父子关系重建目录项