细说 Linux 虚拟文件系统原理

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  这个目标，Linux 内核提供了一个中间层：。

如果大家使用过面向对象编程语言（如C++/Java等）的话，应该对  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 、 和  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：

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

现在我们就能使用  接口来操作  对象了，如下代码：

从上面的例子可以看出，底层对象只需要实现  接口，就可以使用  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  的结构体，其定义如下：

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

从  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  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， 结构代表着一个被打开的文件。所以，只需要将  结构的  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  函数中实现，如下所示：

设置好  结构的  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  结构中的方法集。

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

也就是说，如果当前使用的是 minix 文件系统，当使用  函数读取其文件的内容时，那么最终将会调用  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： 和 。

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

可以看到， 结构有个指向  结构的指针，如下所示：

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

其中的  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  结构，并且使用  字段来指向其父目录项，这样就能通过  字段来追索到根目录。

4. inode结构

在 Linux 内核中， 结构表示一个真实的文件。为什么有了  结构还需要  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  文件创建一个硬链接：

现在  和  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  结构了。如下图所示：

由于  和  指向同一个文件，所以它们都使用同一个  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：

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

总结

本文主要介绍了  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 ，Linux 才能支持各种各样的文件系统。

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