虚拟文件系统的Linux虚拟文件系统简介

2025-04-01 15:18:16

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回答1：

1
引言
linux
中允许众多不同的文件系统共存，如
ext2,
ext3,
vfat
等。通过使用同一套文件
i/o
系统
调用即可对
linux
中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式；更进一步，对文件的
操作可以跨文件系统而执行。如图
1
所示，我们可以使用
cp
命令从
vfat
文件系统格式的硬盘拷贝数据到
ext3
文件系统格式的硬盘；而这样的操作涉及到两个不同的文件系统。
图
1.
跨文件系统的文件操作
“一切皆是文件”是
unix/linux
的基本哲学之一。不仅普通的文件，目录、字符设备、块设备、
套接字等在
unix/linux
中都是以文件被对待；它们虽然类型不同，但是对其提供的却是同一套操作界面。
图
2.
一切皆是文件
而虚拟文件系统正是实现上述两点
linux
特性的关键所在。虚拟文件系统（virtual
file
system,
简称
vfs），
是
linux
内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口；同时，它也提供了内核中的一个
抽象功能，允许不同的文件系统共存。系统中所有的文件系统不但依赖
vfs
共存，而且也依靠
vfs
协同工作。
为了能够支持各种实际文件系统，vfs
定义了所有文件系统都支持的基本的、概念上的接口和数据
结构；同时实际文件系统也提供
vfs
所期望的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件、目录等概念在形式
上与vfs的定义保持一致。换句话说，一个实际的文件系统想要被
linux
支持，就必须提供一个符合vfs标准
的接口，才能与
vfs
协同工作。实际文件系统在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节，所以在vfs
层和内核的其他部分看来，所有文件系统都是相同的。图3显示了vfs在内核中与实际的文件系统的协同关系。
图3.
vfs在内核中与其他的内核模块的协同关系
我们已经知道，正是由于在内核中引入了vfs，跨文件系统的文件操作才能实现，“一切皆是文件”
的口号才能承诺。而为什么引入了vfs，就能实现这两个特性呢？在接下来，我们将以这样的一个思路来切入
文章的正题：我们将先简要介绍下用以描述vfs模型的一些数据结构，总结出这些数据结构相互间的关系；然后
选择两个具有代表性的文件i/o操作sys_open()和sys_read()来详细说明内核是如何借助vfs和具体的文件系统打
交道以实现跨文件系统的文件操作和承诺“一切皆是文件”的口号。

回答2：

虚拟二字主要有两层含义：
1,
在同一个目录结构中,
可以挂载着若干种不同的文件系统.
VFS隐藏了它们的实现细节,
为使用者提供统一的接口；
2,
目录结构本身并不是绝对的,
每个进程可能会看到不一样的目录结构.
目录结构是由地址空间(namespace)来描述的,
不同的进程可能拥有不同的namespace,
不同的namespace可能有着不同的目录结构(因为它们可能挂载了不同的文件系统)。
含义:
索引节点,
对应设备上存放的一个文件。
创建:
1)在超级块被载入时,
作为根的inode一并被载入;
2)通过mknod调用创新新的索引节点;
3)在寻找文件路径的过程中,
从设备中读取,
并初始化(跟super_block一样,
inode结构中一部分信息是保存在设备中的,
一部分则是在内在中初始化的)。
函数:
i_op,
索引节点函数集,
主要包含对子inode的创建,
删除等操作.
f_op,
文件函数集,
主要包含对本inode的读写等操作.
在inode被创建后,
1)如果是特殊文件,
则根据对应文件的类型(包括块设备,
字符设备,
fifo,
等等)赋予特定的函数集(并不直接与设备和文件系统类型相关);
2)否则,
对应的文件系统类型会提供相应的函数集,
并且目录和文件函数集很可能不同。
VFS的使用者是进程(用户访问文件系统总是需要启动进程).
描述进程的task_struct结构中files指针指向了一个files_struct结构,
后者描述了进程已打开的文件集合。
files_struct结构维护了一个已打开文件所对应的file结构的指针数组,
数组下标被用作用户程序操作已打开文件的句柄(通常称作fd).
files_struct还维护着已使用的fd位图,
以便在需要打开文件时,
为其分配一个未使用的fd。
详细见参考文献。

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