在 Unix 的世界里，有句很經典的話：一切對象皆是文件。這句話的意思是說，可以將 Unix 操作系統中所有的對象都當成文件，然后使用操作文件的接口來操作它們。Linux 作為一個類 Unix 操作系統，也努力實現這個目標。

虛擬文件系統簡介

為了實現一切對象皆是文件這個目標，Linux 內核提供了一個中間層：虛擬文件系統（Virtual File System）。

如果大家使用過面向對象編程語言（如C++/Java等）的話，應該對接口這個概念并不陌生。而虛擬文件系統類似于面向對象中的接口，定義了一套標準的接口。開發者只需要實現這套接口，即可以使用操作文件的接口來操作對象。如下圖所示：

上圖中的藍色部分就是虛擬文件系統所在位置。

從上圖可以看出，虛擬文件系統為上層應用提供了統一的接口。如果某個文件系統實現了虛擬文件系統的接口，那么上層應用就能夠使用諸如open()、read()和write()等函數來操作它們。

今天，我們就來介紹虛擬文件系統的原理與實現。

虛擬文件系統原理

在闡述虛擬文件系統的原理前，我們先來介紹一個 Java 例子。通過這個 Java 例子，我們能夠更容易理解虛擬文件系統的原理。

一個Java例子

如果大家使用過 Java 編寫程序的話，那么就很容易理解虛擬文件系統了。我們使用 Java 的接口來模擬虛擬文件系統的定義：

publicinterfaceVFSFile{
intopen(Stringfile,intmode);
intread(intfd,byte[]buffer,intsize);
intwrite(intfd,byte[]buffer,intsize);
...
}

上面定義了一個名為VFSFile的接口，接口中定義了一些方法，如open()、read()和write()等。現在我們來定義一個名為Ext3File的對象來實現這個接口：

publicclassExt3FileimplementsVFSFile{
@Override
publicintopen(Stringfile,intmode){
...
}

@Override
publicintread(intfd,byte[]buffer,intsize){
...
}

@Override
publicintwrite(intfd,byte[]buffer,intsize){
...
}

...
}

現在我們就能使用VFSFile接口來操作Ext3File對象了，如下代碼：

publicclassMain(){
publicstaticvoidmain(String[]args){
VFSFilefile=newExt3File();

intfd=file.open("/tmp/file.txt",0);
...
}
}

從上面的例子可以看出，底層對象只需要實現VFSFile接口，就可以使用VFSFile接口相關的方法來操作對象，用戶完全不需要了解底層對象的實現過程。

虛擬文件系統原理

上面的 Java 例子已經大概說明虛擬文件系統的原理，但由于 Linux 是使用 C 語言來編寫的，而 C 語言并沒有接口這個概念。所以，Linux 內核使用了一些技巧來模擬接口這個概念。

下面來介紹一下 Linux 內核是如何實現的。

1. file結構

為了模擬接口，Linux 內核定義了一個名為file的結構體，其定義如下：

structfile{
...
conststructfile_operations*f_op;
...
};

在 file 結構中，最為重要的一個字段就是f_op，其類型為file_operations結構。而file_operations結構是由一組函數指針組成，其定義如下：

structfile_operations{
...
loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);
ssize_t(*read)(structfile*,char__user*,size_t,loff_t*);
ssize_t(*write)(structfile*,constchar__user*,size_t,loff_t*);
...
int(*open)(structinode*,structfile*);
...
};

從file_operations結構的定義可以隱約看到接口的影子，所以可以猜想出，如果實現了file_operations結構中的方法，應該就能接入到虛擬文件系統中。

在 Linux 內核中，file結構代表著一個被打開的文件。所以，只需要將file結構的f_op字段設置成不同文件系統實現好的方法集，那么就能夠使用不同文件系統的功能。

這個過程在__dentry_open()函數中實現，如下所示：

staticstructfile*
__dentry_open(structdentry*dentry,
structvfsmount*mnt,
tructfile*f,
int(*open)(structinode*,structfile*),
conststructcred*cred)
{
...
inode=dentry->d_inode;
...
//設置file結構的f_op字段為底層文件系統實現的方法集
f->f_op=fops_get(inode->i_fop);
...
returnf;
}

設置好file結構的f_op字段后，虛擬文件系統就能夠使用通用的接口來操作此文件了。調用過程如下：

2. file_operations結構

底層文件系統需要實現虛擬文件系統的接口，才能被虛擬文件系統使用。也就是說，底層文件系統需要實現file_operations結構中的方法集。

一般底層文件系統會在其內部定義好file_operations結構，并且填充好其方法集中的函數指針。如minix文件系統就定義了一個名為minix_file_operations的file_operations結構。其定義如下：

//文件：fs/minix/file.c

conststructfile_operationsminix_file_operations={
.llseek=generic_file_llseek,
.read=do_sync_read,
.aio_read=generic_file_aio_read,
.write=do_sync_write,
.aio_write=generic_file_aio_write,
.mmap=generic_file_mmap,
.fsync=generic_file_fsync,
.splice_read=generic_file_splice_read,
};

也就是說，如果當前使用的是 minix 文件系統，當使用read()函數讀取其文件的內容時，那么最終將會調用do_sync_read()函數來讀取文件的內容。

3. dentry結構

到這里，虛擬文件系統的原理基本分析完畢，但還有兩個非常重要的結構要介紹一下的：dentry和inode。

dentry結構表示一個打開的目錄項，當我們打開文件/usr/local/lib/libc.so文件時，內核會為文件路徑中的每個目錄創建一個dentry結構。如下圖所示：

可以看到，file結構有個指向dentry結構的指針，如下所示：

structfile{
...
structpathf_path;
...
conststructfile_operations*f_op;
...
};

structpath{
...
structdentry*dentry;
};

與文件類似，目錄也有相關的操作接口，所以在dentry結構中也有操作方法集，如下所示：

structdentry{
...
structdentry*d_parent;//父目錄指針
structqstrd_name;//目錄名字
structinode*d_inode;//指向inode結構
...
conststructdentry_operations*d_op;//操作方法集
...
};

其中的d_op字段就是目錄的操作方法集。

內核在打開文件時，會為路徑中的每個目錄創建一個dentry結構，并且使用d_parent字段來指向其父目錄項，這樣就能通過d_parent字段來追索到根目錄。

4. inode結構

在 Linux 內核中，inode結構表示一個真實的文件。為什么有了dentry結構還需要inode結構呢？這是因為 Linux 存在硬鏈接的概念。

例如使用以下命令為/usr/local/lib/libc.so文件創建一個硬鏈接：

ln/usr/local/lib/libc.so/tmp/libc.so

現在/usr/local/lib/libc.so和/tmp/libc.so指向同一個文件，但它們的路徑是不一樣的。所以，就需要引入inode結構了。如下圖所示：

由于/usr/local/lib/libc.so和/tmp/libc.so指向同一個文件，所以它們都使用同一個inode對象。

inode 結構保存了文件的所有屬性值，如文件的創建時間、文件所屬用戶和文件的大小等。其定義如下所示：

structinode{
...
uid_ti_uid;//文件所屬用戶
gid_ti_gid;//文件所屬組
...
structtimespeci_atime;//最后訪問時間
structtimespeci_mtime;//最后修改時間
structtimespeci_ctime;//文件創建時間
...
unsignedshorti_bytes;//文件大小
...
conststructfile_operations*i_fop;//文件操作方法集（用于設置file結構）
...
};

我們注意到 inode 結構有個類型為file_operations結構的字段i_fop，這個字段保存了文件的操作方法集。當用戶調用open()系統調用打開文件時，內核將會使用inode結構的i_fop字段賦值給file結構的f_op字段。我們再來重溫下賦值過程：

staticstructfile*
__dentry_open(structdentry*dentry,
structvfsmount*mnt,
tructfile*f,
int(*open)(structinode*,structfile*),
conststructcred*cred)
{
...
//文件對應的inode對象
inode=dentry->d_inode;
...
//使用inode結構的i_fop字段賦值給file結構的f_op字段
f->f_op=fops_get(inode->i_fop);
...
returnf;
}

總結

本文主要介紹了虛擬文件系統的基本原理，從分析中可以發現，虛擬文件系統使用了類似于面向對象編程語言中的接口概念。正是有了虛擬文件系統，Linux 才能支持各種各樣的文件系統。

審核編輯：劉清