Linux VFS 虚拟文件系统数据结构
虚拟文件系统node
虚拟文件系统
虚拟文件系统（VFS）是linux内核和具体I/O设备之间的封装的一层共通访问接口，经过这层接口，linux内核能够以同一的方式访问各类I/O设备。linux
虚拟文件系统(VFS)是linux内核和存储设备之间的抽象层,主要有如下好处：缓存
--简化了应用程序的开发：应用经过统一的系统调用访问各类存储介质数据结构
--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的各个接口便可，不须要修改内核部分app
虚拟文件中的4个对象socket
(1) 超级块 (2)索引节点 (3)目录项 (4)文件对象函数
超级块
它通常存储在磁盘的特定扇区中，可是对于那些基于内存的文件系统(好比proc,sysfs)ui
超级块是在使用时建立在内存中的atom
超级块的定义在：<linux/fs.h>spa
/*
* 超级块结构中定义的字段很是多，
* 这里只介绍一些重要的属性
*/
struct super_block {
struct list_head s_list; /* 指向全部超级块的链表 */
const struct super_operations *s_op; /* 超级块方法 */
struct dentry *s_root; /* 目录挂载点 */
struct mutex s_lock; /* 超级块信号量 */
int s_count; /* 超级块引用计数 */
struct list_head s_inodes; /* inode链表 */
struct mtd_info *s_mtd; /* 存储磁盘信息 */
fmode_t s_mode; /* 安装权限 */
};
/*
* 其中的 s_op 中定义了超级块的操做方法
* 这里只介绍一些相对重要的函数
*/
struct super_operations {
struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); /* 建立和初始化一个索引节点对象 */
void (*destroy_inode)(struct inode *); /* 释放给定的索引节点 */
void (*dirty_inode) (struct inode *); /* VFS在索引节点被修改时会调用这个函数 */
int (*write_inode) (struct inode *, int); /* 将索引节点写入磁盘，wait表示写操做是否须要同步 */
void (*drop_inode) (struct inode *); /* 最后一个指向索引节点的引用被删除后，VFS会调用这个函数 */
void (*delete_inode) (struct inode *); /* 从磁盘上删除指定的索引节点 */
void (*put_super) (struct super_block *); /* 卸载文件系统时由VFS调用，用来释放超级块 */
void (*write_super) (struct super_block *); /* 用给定的超级块更新磁盘上的超级块 */
int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait); /* 使文件系统中的数据与磁盘上的数据同步 */
int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *); /* VFS调用该函数获取文件系统状态 */
int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *); /* 指定新的安装选项从新安装文件系统时，VFS会调用该函数 */
void (*clear_inode) (struct inode *); /* VFS调用该函数释放索引节点，并清空包含相关数据的全部页面 */
void (*umount_begin) (struct super_block *); /* VFS调用该函数中断安装操做 */
};
索引节点
索引节点是VFS中的核心概念，它包含内核在操做文件或目录时须要的所有信息。
一个索引节点表明文件系统中的一个文件(这里的文件不只是指咱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)。
索引节点和超级块同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建立。
索引节点定义在：<linux/fs.h>
/*
* 索引节点结构中定义的字段很是多，
* 这里只介绍一些重要的属性
*/
struct inode {
struct hlist_node i_hash; /* 散列表，用于快速查找inode */
struct list_head i_list; /* 索引节点链表 */
struct list_head i_sb_list; /* 超级块链表超级块 */
struct list_head i_dentry; /* 目录项链表 */
unsigned long i_ino; /* 节点号 */
atomic_t i_count; /* 引用计数 */
unsigned int i_nlink; /* 硬连接数 */
uid_t i_uid; /* 使用者id */
gid_t i_gid; /* 使用组id */
struct timespec i_atime; /* 最后访问时间 */
struct timespec i_mtime; /* 最后修改时间 */
struct timespec i_ctime; /* 最后改变时间 */
const struct inode_operations *i_op; /* 索引节点操做函数 */
const struct file_operations *i_fop; /* 缺省的索引节点操做 */
struct super_block *i_sb; /* 相关的超级块 */
struct address_space *i_mapping; /* 相关的地址映射 */
struct address_space i_data; /* 设备地址映射 */
unsigned int i_flags; /* 文件系统标志 */
void *i_private; /* fs 私有指针 */
};
/*
* 其中的 i_op 中定义了索引节点的操做方法
* 这里只介绍一些相对重要的函数
*/
struct inode_operations {
/* 为dentry对象创造一个新的索引节点 */
int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
/* 在特定文件夹中寻找索引节点，该索引节点要对应于dentry中给出的文件名 */
struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
/* 建立硬连接 */
int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
/* 从一个符号连接查找它指向的索引节点 */
void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
/* 在 follow_link调用以后，该函数由VFS调用进行清除工做 */
void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *);
/* 该函数由VFS调用，用于修改文件的大小 */
void (*truncate) (struct inode *);
};
经过 inode (inode->i_ino)号和相关超级块 inode->i_sb可获取逻辑块组号：方式以下
block_group = (inode->i_ino - 1) / EXT2_INODES_PER_GROUP(inode->i_sb);
目录项
和超级块和索引节点不一样，目录项并非实际存在于磁盘上的。
在使用的时候在内存中建立目录项对象，其实经过索引节点已经能够定位到指定的文件，
可是索引节点对象的属性很是多，在查找，比较文件时，直接用索引节点效率不高，因此引入了目录项的概念。
每一个目录项对象都有三种状态：被使用，未使用和负状态
- 被使用：对应一个有效的索引节点，而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，可是VFS当前并无使用这个目录项
- 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升文件查找，比较的效率，因此访问过的目录项都会缓存在slab中。
目录项定义在：<linux/dcache.h>
/* 目录项对象结构 */
struct dentry {
atomic_t d_count; /* 使用计数 */
unsigned int d_flags; /* 目录项标识 */
spinlock_t d_lock; /* 单目录项锁 */
int d_mounted; /* 是否登陆点的目录项 */
struct inode *d_inode; /* 相关联的索引节点，经过这个索引节点就能够读取到文件数据 */
struct hlist_node d_hash; /* 散列表 */
struct dentry *d_parent; /* 父目录的目录项对象 */
struct qstr d_name; /* 目录项名称 */
struct list_head d_lru; /* 未使用的链表 */
/*
* d_child and d_rcu can share memory
*/
union {
struct list_head d_child; /* child of parent list */
struct rcu_head d_rcu;
} d_u;
struct list_head d_subdirs; /* 子目录链表 */
struct list_head d_alias; /* 索引节点别名链表 */
unsigned long d_time; /* 重置时间 */
const struct dentry_operations *d_op; /* 目录项操做相关函数 */
struct super_block *d_sb; /* 文件的超级块 */
void *d_fsdata; /* 文件系统特有数据 */
unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* 短文件名 */
};
/* 目录项相关操做函数 */
struct dentry_operations {
/* 该函数判断目录项对象是否有效。VFS准备从dcache中使用一个目录项时会调用这个函数 */
int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
/* 为目录项对象生成hash值 */
int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
/* 比较 qstr 类型的2个文件名 */
int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
/* 当目录项对象的 d_count 为0时，VFS调用这个函数 */
int (*d_delete)(struct dentry *);
/* 当目录项对象将要被释放时，VFS调用该函数 */
void (*d_release)(struct dentry *);
/* 当目录项对象丢失其索引节点时（也就是磁盘索引节点被删除了），VFS会调用该函数 */
void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
};
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，咱们在代码中操做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惟一的，但其对应的索引节点和目录项对象倒是惟一的。
文件对象的定义在: <linux/fs.h>
//路径及结构体，包含目录项
struct path {
struct vfsmount *mnt; //文件系统挂载使用
struct dentry *dentry;
};
/*
* 文件对象结构中定义的字段很是多，
* 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; /* 释放以后的RCU链表 */
} f_u;
struct path f_path; /* 包含的目录项 */
const struct file_operations *f_op; /* 文件操做函数 */
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做方法
* 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 *);
/* 建立一个新的文件对象,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小时,VFS调用该函数 */
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
};
5 四个对象之间关系图
VFS 通用文件模型中包含如下四种元数据结构：
-
超级块对象(superblock object)，用于存放已经注册的文件系统的信息。好比ext2，ext3等这些基础的磁盘文件系统，还有用于读写socket的socket文件系统，以及当前的用于读写cgroups配置信息的 cgroups 文件系统等。
-
索引节点对象(inode object)，用于存放具体文件的信息。对于通常的磁盘文件系统而言，inode 节点中通常会存放文件在硬盘中的存储块等信息；对于socket文件系统，inode会存放socket的相关属性，而对于cgroups这样的特殊文件系统，inode会存放与 cgroup 节点相关的属性信息。这里面比较重要的一个部分是一个叫作 inode_operations 的结构体，这个结构体定义了在具体文件系统中建立文件，删除文件等的具体实现。
-
文件对象(file object)，一个文件对象表示进程内打开的一个文件，文件对象是存放在进程的文件描述符表里面的。一样这个文件中比较重要的部分是一个叫 file_operations 的结构体，这个结构体描述了具体的文件系统的读写实现。当进程在某一个文件描述符上调用读写操做时，实际调用的是 file_operations 中定义的方法。 对于普通的磁盘文件系统，file_operations 中定义的就是普通的块设备读写操做；对于socket文件系统，file_operations 中定义的就是 socket 对应的 send/recv 等操做；而对于cgroups这样的特殊文件系统，file_operations 中定义的就是操做 cgroup 结构体等具体的实现。
-
目录项对象(dentry object)，在每一个文件系统中，内核在查找某一个路径中的文件时，会为内核路径上的每个份量都生成一个目录项对象，经过目录项对象可以找到对应的 inode 对象，目录项对象通常会被缓存，从而提升内核查找速度。
- 1. 虚拟文件系统之VFS的数据结构(上)
- 2. 虚拟文件系统VFS
- 3. 虚拟文件系统之VFS的数据结构(下)
- 4. VFS虚拟文件系统
- 5. linux的虚拟文件系统VFS
- 6. Linux内核--虚拟文件系统VFS
- 7. Linux虚拟文件系统–VFS简介
- 8. Linux中VFS 虚拟文件系统
- 9. Linux虚拟文件系统VFS的相关数据结构和操作
- 10. （转）虚拟文件系统(VFS)浅析
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