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2007 年 8 月 23 日
Linux 允許眾多不同的文件系統(tǒng)共存，并支持跨文件系統(tǒng)的文件操作，這是因?yàn)橛刑摂M文件系統(tǒng)的存在。虛擬文件系統(tǒng)，即VFS（Virtual
File System）是 Linux 內(nèi)核中的一個(gè)軟件抽象層。它通過(guò)一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其方法向?qū)嶋H的文件系統(tǒng)如 ext2，vfat
提供接口機(jī)制。本文在簡(jiǎn)要介紹 VFS 的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，以文件 I/O 為切入點(diǎn)深入 Linux 內(nèi)核源代碼，追蹤了 sys_open 和
sys_read 兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的代碼結(jié)構(gòu)，并在追蹤的過(guò)程中理清了跨文件系統(tǒng)的文件操作的基本原理和“一切皆是文件”的口號(hào)得以實(shí)現(xiàn)的根本。
1 引言
Linux 中允許眾多不同的文件系統(tǒng)共存，如 ext2, ext3, vfat 等。通過(guò)使用同一套文件 I/O 系統(tǒng)
調(diào)用即可對(duì) Linux 中的任意文件進(jìn)行操作而無(wú)需考慮其所在的具體文件系統(tǒng)格式；更進(jìn)一步，對(duì)文件的
操作可以跨文件系統(tǒng)而執(zhí)行。如圖 1 所示，我們可以使用 cp 命令從 vfat 文件系統(tǒng)格式的硬盤(pán)拷貝數(shù)據(jù)到
ext3 文件系統(tǒng)格式的硬盤(pán)；而這樣的操作涉及到兩個(gè)不同的文件系統(tǒng)。
圖 1. 跨文件系統(tǒng)的文件操作
“一切皆是文件”是 Unix/Linux 的基本哲學(xué)之一。不僅普通的文件，目錄、字符設(shè)備、塊設(shè)備、
套接字等在 Unix/Linux 中都是以文件被對(duì)待；它們雖然類(lèi)型不同，但是對(duì)其提供的卻是同一套操作界面。
圖 2. 一切皆是文件
而虛擬文件系統(tǒng)正是實(shí)現(xiàn)上述兩點(diǎn) Linux 特性的關(guān)鍵所在。虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System, 簡(jiǎn)稱(chēng) VFS），
是 Linux 內(nèi)核中的一個(gè)軟件層，用于給用戶(hù)空間的程序提供文件系統(tǒng)接口；同時(shí)，它也提供了內(nèi)核中的一個(gè)
抽象功能，允許不同的文件系統(tǒng)共存。系統(tǒng)中所有的文件系統(tǒng)不但依賴(lài) VFS 共存，而且也依靠 VFS 協(xié)同工作。
為了能夠支持各種實(shí)際文件系統(tǒng)，VFS 定義了所有文件系統(tǒng)都支持的基本的、概念上的接口和數(shù)據(jù)
結(jié)構(gòu)；同時(shí)實(shí)際文件系統(tǒng)也提供 VFS 所期望的抽象接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將自身的諸如文件、目錄等概念在形式
上與VFS的定義保持一致。換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)實(shí)際的文件系統(tǒng)想要被 Linux 支持，就必須提供一個(gè)符合VFS標(biāo)準(zhǔn)
的接口，才能與 VFS 協(xié)同工作。實(shí)際文件系統(tǒng)在統(tǒng)一的接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下隱藏了具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，所以在VFS
層和內(nèi)核的其他部分看來(lái)，所有文件系統(tǒng)都是相同的。圖3顯示了VFS在內(nèi)核中與實(shí)際的文件系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系。
圖3. VFS在內(nèi)核中與其他的內(nèi)核模塊的協(xié)同關(guān)系
我們已經(jīng)知道，正是由于在內(nèi)核中引入了VFS，跨文件系統(tǒng)的文件操作才能實(shí)現(xiàn)，“一切皆是文件”
的口號(hào)才能承諾。而為什么引入了VFS，就能實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)特性呢？在接下來(lái)，我們將以這樣的一個(gè)思路來(lái)切入
文章的正題：我們將先簡(jiǎn)要介紹下用以描述VFS模型的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，總結(jié)出這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互間的關(guān)系；然后
選擇兩個(gè)具有代表性的文件I/O操作sys_open()和sys_read()來(lái)詳細(xì)說(shuō)明內(nèi)核是如何借助VFS和具體的文件系統(tǒng)打
交道以實(shí)現(xiàn)跨文件系統(tǒng)的文件操作和承諾“一切皆是文件”的口號(hào)。
2 VFS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2.1 一些基本概念
從本質(zhì)上講，文件系統(tǒng)是特殊的數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，它包含文件、目錄和相關(guān)的控制信息。為了描述
這個(gè)結(jié)構(gòu)，Linux引入了一些基本概念:
文件 一組在邏輯上具有完整意義的信息項(xiàng)的系列。在Linux中，除了普通文件，其他諸如目錄、設(shè)備、套接字等
也以文件被對(duì)待?？傊耙磺薪晕募?。
目錄 目錄好比一個(gè)文件夾，用來(lái)容納相關(guān)文件。因?yàn)槟夸浛梢园幽夸?，所以目錄是可以層層嵌套，形? 文件路徑。在Linux中，目錄也是以一種特殊文件被對(duì)待的，所以用于文件的操作同樣也可以用在目錄上。
目錄項(xiàng) 在一個(gè)文件路徑中，路徑中的每一部分都被稱(chēng)為目錄項(xiàng)；如路徑/home/source/helloworld.c中，目錄
/, home, source和文件 helloworld.c都是一個(gè)目錄項(xiàng)。
索引節(jié)點(diǎn) 用于存儲(chǔ)文件的元數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文件的元數(shù)據(jù)，也就是文件的相關(guān)信息，和文件本身是兩個(gè)不同
的概念。它包含的是諸如文件的大小、擁有者、創(chuàng)建時(shí)間、磁盤(pán)位置等和文件相關(guān)的信息。
超級(jí)塊 用于存儲(chǔ)文件系統(tǒng)的控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。描述文件系統(tǒng)的狀態(tài)、文件系統(tǒng)類(lèi)型、大小、區(qū)塊數(shù)、索引節(jié)
點(diǎn)數(shù)等，存放于磁盤(pán)的特定扇區(qū)中。
如上的幾個(gè)概念在磁盤(pán)中的位置關(guān)系如圖4所示。
圖4. 磁盤(pán)與文件系統(tǒng)
關(guān)于文件系統(tǒng)的三個(gè)易混淆的概念：
創(chuàng)建 以某種方式格式化磁盤(pán)的過(guò)程就是在其之上建立一個(gè)文件系統(tǒng)的過(guò)程。創(chuàng)建文現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)在磁盤(pán)的特定位置寫(xiě)入
關(guān)于該文件系統(tǒng)的控制信息。
注冊(cè) 向內(nèi)核報(bào)到，聲明自己能被內(nèi)核支持。一般在編譯內(nèi)核的時(shí)侯注冊(cè)；也可以加載模塊的方式手動(dòng)注冊(cè)。注冊(cè)過(guò)程實(shí)
際上是將表示各實(shí)際文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_system_type 實(shí)例化。
安裝 也就是我們熟悉的mount操作，將文件系統(tǒng)加入到Linux的根文件系統(tǒng)的目錄樹(shù)結(jié)構(gòu)上；這樣文件系統(tǒng)才能被訪(fǎng)問(wèn)。
2.2 VFS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
VFS依靠四個(gè)主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一些輔助的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)描述其結(jié)構(gòu)信息，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得就像是對(duì)象；
每個(gè)主要對(duì)象中都包含由操作函數(shù)表構(gòu)成的操作對(duì)象，這些操作對(duì)象描述了內(nèi)核針對(duì)這幾個(gè)主要的對(duì)象可以進(jìn)行的操作。
2.2.1 超級(jí)塊對(duì)象
存儲(chǔ)一個(gè)已安裝的文件系統(tǒng)的控制信息，代表一個(gè)已安裝的文件系統(tǒng)；每次一個(gè)實(shí)際的文件系統(tǒng)被安裝時(shí)，
內(nèi)核會(huì)從磁盤(pán)的特定位置讀取一些控制信息來(lái)填充內(nèi)存中的超級(jí)塊對(duì)象。一個(gè)安裝實(shí)例和一個(gè)超級(jí)塊對(duì)象一一對(duì)應(yīng)。
超級(jí)塊通過(guò)其結(jié)構(gòu)中的一個(gè)域s_type記錄它所屬的文件系統(tǒng)類(lèi)型。
根據(jù)第三部分追蹤源代碼的需要，以下是對(duì)該超級(jí)塊結(jié)構(gòu)的部分相關(guān)成員域的描述，（如下同）：
清單1. 超級(jí)塊
struct super_block { //超級(jí)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
struct list_head s_list; /*指向超級(jí)塊鏈表的指針*/
……
struct file_system_type *s_type; /*文件系統(tǒng)類(lèi)型*/
struct super_operations *s_op; /*超級(jí)塊方法*/
……
struct list_head s_instances; /*該類(lèi)型文件系統(tǒng)*/
……
};
struct super_operations { //超級(jí)塊方法
……
//該函數(shù)在給定的超級(jí)塊下創(chuàng)建并初始化一個(gè)新的索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象
struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
……
//該函數(shù)從磁盤(pán)上讀取索引節(jié)點(diǎn)，并動(dòng)態(tài)填充內(nèi)存中對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象的剩余部分
void (*read_inode) (struct inode *);
……
};
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2.2.2 索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象
索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象存儲(chǔ)了文件的相關(guān)信息，代表了存儲(chǔ)設(shè)備上的一個(gè)實(shí)際的物理文件。當(dāng)一個(gè)
文件首次被訪(fǎng)問(wèn)時(shí)，內(nèi)核會(huì)在內(nèi)存中組裝相應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象，以便向內(nèi)核提供對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行操
作時(shí)所必需的全部信息；這些信息一部分存儲(chǔ)在磁盤(pán)特定位置，另外一部分是在加載時(shí)動(dòng)態(tài)填充的。
清單2. 索引節(jié)點(diǎn)
struct inode {//索引節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
……
struct inode_operations *i_op; /*索引節(jié)點(diǎn)操作表*/
struct file_operations *i_fop; /*該索引節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)文件的文件操作集*/
struct super_block *i_sb; /*相關(guān)的超級(jí)塊*/
……
};
struct inode_operations { //索引節(jié)點(diǎn)方法
……
//該函數(shù)為dentry對(duì)象所對(duì)應(yīng)的文件創(chuàng)建一個(gè)新的索引節(jié)點(diǎn)，主要是由open()系統(tǒng)調(diào)用來(lái)調(diào)用
int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
//在特定目錄中尋找dentry對(duì)象所對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)
struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
……
};
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2.2.3 目錄項(xiàng)對(duì)象
引入目錄項(xiàng)的概念主要是出于方便查找文件的目的。一個(gè)路徑的各個(gè)組成部分，不管是目錄還是
普通的文件，都是一個(gè)目錄項(xiàng)對(duì)象。如，在路徑/home/source/test.c中，目錄 /, home, source和文件
test.c都對(duì)應(yīng)一個(gè)目錄項(xiàng)對(duì)象。不同于前面的兩個(gè)對(duì)象，目錄項(xiàng)對(duì)象沒(méi)有對(duì)應(yīng)的磁盤(pán)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，VFS在遍
歷路徑名的過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)將它們逐個(gè)地解析成目錄項(xiàng)對(duì)象。
清單3. 目錄項(xiàng)
struct dentry {//目錄項(xiàng)結(jié)構(gòu)
……
struct inode *d_inode; /*相關(guān)的索引節(jié)點(diǎn)*/
struct dentry *d_parent; /*父目錄的目錄項(xiàng)對(duì)象*/
struct qstr d_name; /*目錄項(xiàng)的名字*/
……
struct list_head d_subdirs; /*子目錄*/
……
struct dentry_operations *d_op; /*目錄項(xiàng)操作表*/
struct super_block *d_sb; /*文件超級(jí)塊*/
……
};
struct dentry_operations {
//判斷目錄項(xiàng)是否有效;
int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
//為目錄項(xiàng)生成散列值;
int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
……
};
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2.2.4 文件對(duì)象
文件對(duì)象是已打開(kāi)的文件在內(nèi)存中的表示，主要用于建立進(jìn)程和磁盤(pán)上的文件的對(duì)應(yīng)關(guān)系。它由sys_open()
現(xiàn)場(chǎng)創(chuàng)建，由sys_close()銷(xiāo)毀。文件對(duì)象和物理文件的關(guān)系有點(diǎn)像進(jìn)程和程序的關(guān)系一樣。當(dāng)我們站在用戶(hù)空間來(lái)看
待VFS，我們像是只需與文件對(duì)象打交道，而無(wú)須關(guān)心超級(jí)塊，索引節(jié)點(diǎn)或目錄項(xiàng)。因?yàn)槎鄠€(gè)進(jìn)程可以同時(shí)打開(kāi)和操作
同一個(gè)文件，所以同一個(gè)文件也可能存在多個(gè)對(duì)應(yīng)的文件對(duì)象。文件對(duì)象僅僅在進(jìn)程觀(guān)點(diǎn)上代表已經(jīng)打開(kāi)的文件，它
反過(guò)來(lái)指向目錄項(xiàng)對(duì)象（反過(guò)來(lái)指向索引節(jié)點(diǎn)）。一個(gè)文件對(duì)應(yīng)的文件對(duì)象可能不是惟一的，但是其對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)和
目錄項(xiàng)對(duì)象無(wú)疑是惟一的。
清單4. 文件對(duì)象
struct file {
……
struct list_head f_list; /*文件對(duì)象鏈表*/
struct dentry *f_dentry; /*相關(guān)目錄項(xiàng)對(duì)象*/
struct vfsmount *f_vfsmnt; /*相關(guān)的安裝文件系統(tǒng)*/
struct file_operations *f_op; /*文件操作表*/
……
};
struct file_operations {
……
//文件讀操作
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
……
//文件寫(xiě)操作
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
……
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
……
//文件打開(kāi)操作
int (*open) (struct inode *, struct file *);
……
};
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2.2.5 其他VFS對(duì)象
2.2.5.1 和文件系統(tǒng)相關(guān)
根據(jù)文件系統(tǒng)所在的物理介質(zhì)和數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)上的組織方式來(lái)區(qū)分不同的文件系統(tǒng)類(lèi)型的。
file_system_type結(jié)構(gòu)用于描述具體的文件系統(tǒng)的類(lèi)型信息。被Linux支持的文件系統(tǒng)，都有且僅有一
個(gè)file_system_type結(jié)構(gòu)而不管它有零個(gè)或多個(gè)實(shí)例被安裝到系統(tǒng)中。
而與此對(duì)應(yīng)的是每當(dāng)一個(gè)文件系統(tǒng)被實(shí)際安裝，就有一個(gè)vfsmount結(jié)構(gòu)體被創(chuàng)建，這個(gè)結(jié)構(gòu)體對(duì)應(yīng)一個(gè)安裝點(diǎn)。
清單5. 和文件系統(tǒng)相關(guān)
struct file_system_type {
const char *name; /*文件系統(tǒng)的名字*/
struct subsystem subsys; /*sysfs子系統(tǒng)對(duì)象*/
int fs_flags; /*文件系統(tǒng)類(lèi)型標(biāo)志*/
/*在文件系統(tǒng)被安裝時(shí)，從磁盤(pán)中讀取超級(jí)塊,在內(nèi)存中組裝超級(jí)塊對(duì)象*/
struct super_block *(*get_sb) (struct file_system_type*,
int, const char*, void *);
void (*kill_sb) (struct super_block *); /*終止訪(fǎng)問(wèn)超級(jí)塊*/
struct module *owner; /*文件系統(tǒng)模塊*/
struct file_system_type * next; /*鏈表中的下一個(gè)文件系統(tǒng)類(lèi)型*/
struct list_head fs_supers; /*具有同一種文件系統(tǒng)類(lèi)型的超級(jí)塊對(duì)象鏈表*/
};
struct vfsmount
{
struct list_head mnt_hash; /*散列表*/
struct vfsmount *mnt_parent; /*父文件系統(tǒng)*/
struct dentry *mnt_mountpoint; /*安裝點(diǎn)的目錄項(xiàng)對(duì)象*/
struct dentry *mnt_root; /*該文件系統(tǒng)的根目錄項(xiàng)對(duì)象*/
struct super_block *mnt_sb; /*該文件系統(tǒng)的超級(jí)塊*/
struct list_head mnt_mounts; /*子文件系統(tǒng)鏈表*/
struct list_head mnt_child; /*子文件系統(tǒng)鏈表*/
atomic_t mnt_count; /*使用計(jì)數(shù)*/
int mnt_flags; /*安裝標(biāo)志*/
char *mnt_devname; /*設(shè)備文件名*/
struct list_head mnt_list; /*描述符鏈表*/
struct list_head mnt_fslink; /*具體文件系統(tǒng)的到期列表*/
struct namespace *mnt_namespace; /*相關(guān)的名字空間*/
};
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2.2.5.2 和進(jìn)程相關(guān)
清單6. 打開(kāi)的文件集
struct files_struct {//打開(kāi)的文件集
atomic_t count; /*結(jié)構(gòu)的使用計(jì)數(shù)*/
……
int max_fds; /*文件對(duì)象數(shù)的上限*/
int max_fdset; /*文件描述符的上限*/
int next_fd; /*下一個(gè)文件描述符*/
struct file ** fd; /*全部文件對(duì)象數(shù)組*/
……
};
struct fs_struct {//建立進(jìn)程與文件系統(tǒng)的關(guān)系
atomic_t count; /*結(jié)構(gòu)的使用計(jì)數(shù)*/
rwlock_t lock; /*保護(hù)該結(jié)構(gòu)體的鎖*/
int umask； /*默認(rèn)的文件訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限*/
struct dentry * root; /*根目錄的目錄項(xiàng)對(duì)象*/
struct dentry * pwd; /*當(dāng)前工作目錄的目錄項(xiàng)對(duì)象*/
struct dentry * altroot； /*可供選擇的根目錄的目錄項(xiàng)對(duì)象*/
struct vfsmount * rootmnt; /*根目錄的安裝點(diǎn)對(duì)象*/
struct vfsmount * pwdmnt; /*pwd的安裝點(diǎn)對(duì)象*/
struct vfsmount * altrootmnt;/*可供選擇的根目錄的安裝點(diǎn)對(duì)象*/
};
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2.2.5.3 和路徑查找相關(guān)
清單7. 輔助查找
struct nameidata {
struct dentry *dentry; /*目錄項(xiàng)對(duì)象的地址*/
struct vfsmount *mnt; /*安裝點(diǎn)的數(shù)據(jù)*/
struct qstr last; /*路徑中的最后一個(gè)component*/
unsigned int flags; /*查找標(biāo)識(shí)*/
int last_type; /*路徑中的最后一個(gè)component的類(lèi)型*/
unsigned depth; /*當(dāng)前symbolic link的嵌套深度，不能大于6*/
char *saved_names[MAX_NESTED_LINKS + 1];/
/*和嵌套symbolic link 相關(guān)的pathname*/
union {
struct open_intent open; /*說(shuō)明文件該如何訪(fǎng)問(wèn)*/
} intent; /*專(zhuān)用數(shù)據(jù)*/
};
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2.2.6 對(duì)象間的聯(lián)系
如上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不是孤立存在的。正是通過(guò)它們的有機(jī)聯(lián)系，VFS才能正常工作。如下的幾張圖是對(duì)它們之間的聯(lián)系的描述。
如圖5所示，被Linux支持的文件系統(tǒng)，都有且僅有一個(gè)file_system_type結(jié)構(gòu)而不管它有零個(gè)或多個(gè)實(shí)例被安裝到系統(tǒng)
中。每安裝一個(gè)文件系統(tǒng)，就對(duì)應(yīng)有一個(gè)超級(jí)塊和安裝點(diǎn)。超級(jí)塊通過(guò)它的一個(gè)域s_type指向其對(duì)應(yīng)的具體的文件系統(tǒng)類(lèi)型。具體的
文件系統(tǒng)通過(guò)file_system_type中的一個(gè)域fs_supers鏈接具有同一種文件類(lèi)型的超級(jí)塊。同一種文件系統(tǒng)類(lèi)型的超級(jí)塊通過(guò)域s_instances鏈
接。
圖5. 超級(jí)塊、安裝點(diǎn)和具體的文件系統(tǒng)的關(guān)系
從圖6可知：進(jìn)程通過(guò)task_struct中的一個(gè)域files_struct files來(lái)了解它當(dāng)前所打開(kāi)的文件對(duì)象；而我們通常所說(shuō)的文件
描述符其實(shí)是進(jìn)程打開(kāi)的文件對(duì)象數(shù)組的索引值。文件對(duì)象通過(guò)域f_dentry找到它對(duì)應(yīng)的dentry對(duì)象，再由dentry對(duì)象的域d_inode找
到它對(duì)應(yīng)的索引結(jié)點(diǎn)，這樣就建立了文件對(duì)象與實(shí)際的物理文件的關(guān)聯(lián)。最后，還有一點(diǎn)很重要的是, 文件對(duì)象所對(duì)應(yīng)的文件操作函數(shù)
列表是通過(guò)索引結(jié)點(diǎn)的域i_fop得到的。圖6對(duì)第三部分源碼的理解起到很大的作用。
圖6. 進(jìn)程與超級(jí)塊、文件、索引結(jié)點(diǎn)、目錄項(xiàng)的關(guān)系
3 基于VFS的文件I/O
到目前為止，文章主要都是從理論上來(lái)講述VFS的運(yùn)行機(jī)制；接下來(lái)我們將深入源代碼層中，通過(guò)闡述兩個(gè)具有代表性的系統(tǒng)
調(diào)用sys_open()和sys_read()來(lái)更好地理解VFS向具體文件系統(tǒng)提供的接口機(jī)制。由于本文更關(guān)注的是文件操作的整個(gè)流程體制，所以我
們?cè)谧粉櫾创a時(shí)，對(duì)一些細(xì)節(jié)性的處理不予關(guān)心。又由于篇幅所限，只列出相關(guān)代碼。本文中的源代碼來(lái)自于linux-2.6.17內(nèi)核版本。
在深入sys_open()和sys_read()之前，我們先概覽下調(diào)用sys_read()的上下文。圖7描述了從用戶(hù)空間的read()調(diào)用到數(shù)據(jù)從
磁盤(pán)讀出的整個(gè)流程。當(dāng)在用戶(hù)應(yīng)用程序調(diào)用文件I/O read()操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用sys_read()被激發(fā)，sys_read()找到文件所在的具體文件
系統(tǒng)，把控制權(quán)傳給該文件系統(tǒng)，最后由具體文件系統(tǒng)與物理介質(zhì)交互，從介質(zhì)中讀出數(shù)據(jù)。
圖7. 從物理介質(zhì)讀數(shù)據(jù)的過(guò)程
3.1 sys_open()
sys_open()系統(tǒng)調(diào)用打開(kāi)或創(chuàng)建一個(gè)文件，成功返回該文件的文件描述符。圖8是sys_open()實(shí)現(xiàn)代碼中主要的函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖。
圖8. sys_open函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖
由于sys_open()的代碼量大，函數(shù)調(diào)用關(guān)系復(fù)雜，以下主要是對(duì)該函數(shù)做整體的解析；而對(duì)其中的一些關(guān)鍵點(diǎn)，則列出其關(guān)鍵代碼。
a. 從sys_open()的函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖可以看到，sys_open()在做了一些簡(jiǎn)單的參數(shù)檢驗(yàn)后，就把接力棒傳給do_sys_open()：
1）、首先，get_unused_fd()得到一個(gè)可用的文件描述符；通過(guò)該函數(shù)，可知文件描述符實(shí)質(zhì)是進(jìn)程打開(kāi)文件列表中對(duì)應(yīng)某個(gè)文件對(duì)象的索引值；
2）、接著，do_filp_open()打開(kāi)文件，返回一個(gè)file對(duì)象，代表由該進(jìn)程打開(kāi)的一個(gè)文件；進(jìn)程通過(guò)這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)物理文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
3）、最后，fd_install()建立文件描述符與file對(duì)象的聯(lián)系，以后進(jìn)程對(duì)文件的讀寫(xiě)都是通過(guò)操縱該文件描述符而進(jìn)行。
b. do_filp_open()用于打開(kāi)文件，返回一個(gè)file對(duì)象；而打開(kāi)之前需要先找到該文件：
1）、open_namei()用于根據(jù)文件路徑名查找文件，借助一個(gè)持有路徑信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)nameidata而進(jìn)行；
2）、查找結(jié)束后將填充有路徑信息的nameidata返回給接下來(lái)的函數(shù)nameidata_to_filp()從而得到最終的file對(duì)象；當(dāng)達(dá)到目的后，nameidata這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將會(huì)馬上被釋放。
c.open_namei()用于查找一個(gè)文件：
1）、path_lookup_open()實(shí)現(xiàn)文件的查找功能；要打開(kāi)的文件若不存在，還需要有一個(gè)新建的過(guò)程，則調(diào)用
path_lookup_create()，后者和前者封裝的是同一個(gè)實(shí)際的路徑查找函數(shù)，只是參數(shù)不一樣，使它們?cè)谔幚砑?xì)節(jié)上有所偏差；
2）、當(dāng)是以新建文件的方式打開(kāi)文件時(shí)，即設(shè)置了O_CREAT標(biāo)識(shí)時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的索引節(jié)點(diǎn)，代表創(chuàng)建一個(gè)文件。在vfs_create()里的一句
核心語(yǔ)句dir->i_op->create(dir, dentry, mode,
nd)可知它調(diào)用了具體的文件系統(tǒng)所提供的創(chuàng)建索引節(jié)點(diǎn)的方法。注意：這邊的索引節(jié)點(diǎn)的概念，還只是位于內(nèi)存之中，它和磁盤(pán)上的物理的索引節(jié)點(diǎn)的關(guān)系就像
位于內(nèi)存中和位于磁盤(pán)中的文件一樣。此時(shí)新建的索引節(jié)點(diǎn)還不能完全標(biāo)志一個(gè)物理文件的成功創(chuàng)建，只有當(dāng)把索引節(jié)點(diǎn)回寫(xiě)到磁盤(pán)上才是一個(gè)物理文件的真正創(chuàng)
建。想想我們以新建的方式打開(kāi)一個(gè)文件，對(duì)其讀寫(xiě)但最終沒(méi)有保存而關(guān)閉，則位于內(nèi)存中的索引節(jié)點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷從新建到消失的過(guò)程，而磁盤(pán)卻始終不知道有人曾經(jīng)想
過(guò)創(chuàng)建一個(gè)文件，這是因?yàn)樗饕?jié)點(diǎn)沒(méi)有回寫(xiě)的緣故。
3）、path_to_nameidata()填充nameidata數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；
4）、may_open()檢查是否可以打開(kāi)該文件；一些文件如鏈接文件和只有寫(xiě)權(quán)限的目錄是不能被打開(kāi)的，先檢查
nd->dentry->inode所指的文件是否是這一類(lèi)文件，是的話(huà)則錯(cuò)誤返回。還有一些文件是不能以TRUNC的方式打開(kāi)的，若
nd->dentry->inode所指的文件屬于這一類(lèi)，則顯式地關(guān)閉TRUNC標(biāo)志位。接著如果有以TRUNC方式打開(kāi)文件的，則更新
nd->dentry->inode的信息
3.1.1__path_lookup_intent_open()
不管是path_lookup_open()還是path_lookup_create()最終都是調(diào)用
__path_lookup_intent_open()來(lái)實(shí)現(xiàn)查找文件的功能。
查找時(shí)，在遍歷路徑的過(guò)程中，會(huì)逐層地將各個(gè)路徑組成部分解析成目錄項(xiàng)對(duì)象，如果此目錄項(xiàng)對(duì)象在目錄項(xiàng)緩存中，則直接從緩存中獲得；如果該目錄項(xiàng)在緩存中
不存在，則進(jìn)行一次實(shí)際的讀盤(pán)操作，從磁盤(pán)中讀取該目錄項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)。得到索引節(jié)點(diǎn)后，則建立索引節(jié)點(diǎn)與該目錄項(xiàng)的聯(lián)系。如此循環(huán)，直到最終找到目
標(biāo)文件對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)，也就找到了索引節(jié)點(diǎn)，而由索引節(jié)點(diǎn)找到對(duì)應(yīng)的超級(jí)塊對(duì)象就可知道該文件所在的文件系統(tǒng)的類(lèi)型。
從磁盤(pán)中讀取該目錄項(xiàng)所對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)；這將引發(fā)VFS和實(shí)際的文件系統(tǒng)的一次交互。從前面的VFS理論介紹可知，讀索引節(jié)點(diǎn)方法是由超級(jí)塊來(lái)提供的。而
當(dāng)安裝一個(gè)實(shí)際的文件系統(tǒng)時(shí)，在內(nèi)存中創(chuàng)建的超級(jí)塊的信息是由一個(gè)實(shí)際文件系統(tǒng)的相關(guān)信息來(lái)填充的，這里的相關(guān)信息就包括了實(shí)際文件系統(tǒng)所定義的超級(jí)塊的
操作函數(shù)列表，當(dāng)然也就包括了讀索引節(jié)點(diǎn)的具體執(zhí)行方式。
當(dāng)繼續(xù)追蹤一個(gè)實(shí)際文件系統(tǒng)ext3的ext3_read_inode()時(shí)，可發(fā)現(xiàn)這個(gè)函數(shù)很重要的一個(gè)工作就是為不同的文件類(lèi)型設(shè)置不同的索引節(jié)點(diǎn)操
作函數(shù)表和文件操作函數(shù)表。
清單8. ext3_read_inode
void ext3_read_inode(struct inode * inode)
{
……
//是普通文件
if (S_ISREG(inode->i_mode)) {
inode->i_op = &ext3_file_inode_operations;
inode->i_fop = &ext3_file_operations;
ext3_set_aops(inode);
} else if (S_ISDIR(inode->i_mode)) {
//是目錄文件
inode->i_op = &ext3_dir_inode_operations;
inode->i_fop = &ext3_dir_operations;
} else if (S_ISLNK(inode->i_mode)) {
// 是連接文件
……
} else {
// 如果以上三種情況都排除了，則是設(shè)備驅(qū)動(dòng)
//這里的設(shè)備還包括套結(jié)字、FIFO等偽設(shè)備
……
}
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3.1.2 nameidata_to_filp子函數(shù)：__dentry_open
這是VFS與實(shí)際的文件系統(tǒng)聯(lián)系的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。從3.1.1小節(jié)分析中可知，調(diào)用實(shí)際文件系統(tǒng)讀取索引節(jié)點(diǎn)的方法讀取索引節(jié)點(diǎn)時(shí)，實(shí)際文件系統(tǒng)會(huì)根據(jù)文件
的不同類(lèi)型賦予索引節(jié)點(diǎn)不同的文件操作函數(shù)集，如普通文件有普通文件對(duì)應(yīng)的一套操作函數(shù)，設(shè)備文件有設(shè)備文件對(duì)應(yīng)的一套操作函數(shù)。這樣當(dāng)把對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)
的文件操作函數(shù)集賦予文件對(duì)象，以后對(duì)該文件進(jìn)行操作時(shí)，比如讀操作，VFS雖然對(duì)各種不同文件都是執(zhí)行同一個(gè)read()操作界面，但是真正讀時(shí)，內(nèi)核
卻知道怎么區(qū)分對(duì)待不同的文件類(lèi)型。
清單9. __dentry_open
static struct file *__dentry_open(struct dentry *dentry, struct vfsmount *mnt,
int flags, struct file *f,
int (*open)(struct inode *, struct file *))
{
struct inode *inode;
……
//整個(gè)函數(shù)的工作在于填充一個(gè)file對(duì)象
……
f->f_mapping = inode->i_mapping;
f->f_dentry = dentry;
f->f_vfsmnt = mnt;
f->f_pos = 0;
//將對(duì)應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)的文件操作函數(shù)集賦予文件對(duì)象的操作列表
f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
……
//若文件自己定義了open操作，則執(zhí)行這個(gè)特定的open操作。
if (!open && f->f_op)
open = f->f_op->open;
if (open) {
error = open(inode, f);
if (error)
goto cleanup_all;
……
return f;
}
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3.2 sys_read()
sys_read()系統(tǒng)調(diào)用用于從已打開(kāi)的文件讀取數(shù)據(jù)。如read成功，則返回讀到的字節(jié)數(shù)。如已到達(dá)文件的尾端，則返回0。圖9是sys_read()實(shí)現(xiàn)代碼中的函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖。
圖9. sys_read函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖
對(duì)文件進(jìn)行讀操作時(shí)，需要先打開(kāi)它。從3.1小結(jié)可知，打開(kāi)一個(gè)文件時(shí)，會(huì)在內(nèi)存組裝一個(gè)文件對(duì)象，希望對(duì)該文件執(zhí)行的操作方法已在文件對(duì)象設(shè)置好。所以
對(duì)文件進(jìn)行讀操作時(shí)，VFS在做了一些簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換后（由文件描述符得到其對(duì)應(yīng)的文件對(duì)象；其核心思想是返回
current->files->fd[fd]所指向的文件對(duì)象），就可以通過(guò)語(yǔ)句
file->f_op->read(file, buf, count, pos)輕松調(diào)用實(shí)際文件系統(tǒng)的相應(yīng)方法對(duì)文件進(jìn)行讀操作了。
4 解決問(wèn)題
4.1 跨文件系統(tǒng)的文件操作的基本原理
到此，我們也就能夠解釋在Linux中為什么能夠跨文件系統(tǒng)地操作文件了。舉個(gè)例子，將vfat格式的磁盤(pán)上的一個(gè)文件a.txt拷貝到ext3格式的磁
盤(pán)上，命名為b.txt。這包含兩個(gè)過(guò)程，對(duì)a.txt進(jìn)行讀操作，對(duì)b.txt進(jìn)行寫(xiě)操作。讀寫(xiě)操作前，需要先打開(kāi)文件。由前面的分析可知，打開(kāi)文件
時(shí)，VFS會(huì)知道該文件對(duì)應(yīng)的文件系統(tǒng)格式，以后操作該文件時(shí)，VFS會(huì)調(diào)用其對(duì)應(yīng)的實(shí)際文件系統(tǒng)的操作方法。所以，VFS調(diào)用vfat的讀文件方法將
a.txt的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存；在將a.txt在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)映射到b.txt對(duì)應(yīng)的內(nèi)存空間后，VFS調(diào)用ext3的寫(xiě)文件方法將b.txt寫(xiě)入磁盤(pán)；從而
實(shí)現(xiàn)了最終的跨文件系統(tǒng)的復(fù)制操作。
4.2“一切皆是文件”的實(shí)現(xiàn)根本
不論是普通的文件，還是特殊的目錄、設(shè)備等，VFS都將它們同等看待成文件，通過(guò)同一套文件操作界面來(lái)對(duì)它們進(jìn)行操作。操作文件時(shí)需先打開(kāi)；打開(kāi)文件
時(shí)，VFS會(huì)知道該文件對(duì)應(yīng)的文件系統(tǒng)格式；當(dāng)VFS把控制權(quán)傳給實(shí)際的文件系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際的文件系統(tǒng)再做出具體區(qū)分，對(duì)不同的文件類(lèi)型執(zhí)行不同的操作。這
也就是“一切皆是文件”的根本所在。
5 總結(jié)
VFS即虛擬文件系統(tǒng)是Linux文件系統(tǒng)中的一個(gè)抽象軟件層；因?yàn)樗闹С?，眾多不同的?shí)際文件系統(tǒng)才能在Linux中共存，跨文件系統(tǒng)操作才能實(shí)現(xiàn)。
VFS借助它四個(gè)主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即超級(jí)塊、索引節(jié)點(diǎn)、目錄項(xiàng)和文件對(duì)象以及一些輔助的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，向Linux中不管是普通的文件還是目錄、設(shè)備、套接字等
都提供同樣的操作界面，如打開(kāi)、讀寫(xiě)、關(guān)閉等。只有當(dāng)把控制權(quán)傳給實(shí)際的文件系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際的文件系統(tǒng)才會(huì)做出區(qū)分，對(duì)不同的文件類(lèi)型執(zhí)行不同的操作。由此
可見(jiàn)，正是有了VFS的存在，跨文件系統(tǒng)操作才能執(zhí)行，Unix/Linux中的“一切皆是文件”的口號(hào)才能夠得以實(shí)現(xiàn)。
6 參考文獻(xiàn)
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