簡介
虛擬檔案系統 Virtual File Systems（VFS）
Linux 是近年來發展起來的一種新型的 作業系統，其最重要的特徵之一就是支持多種檔案系統，使其更加靈活，從而與許多其它的作業系統共存。Linux支持ext，ext2，xia，minix，umsdos，msdes，fat32 ，ntfs,proc，stub，ncp，hpfs，affs 以及 ufs 等多種檔案系統。為了實現這一目的，Linux 對所有的檔案系統採用統一的檔案界面，用戶通過檔案的操作界面來實現對不同檔案系統的操作。對於用戶來說，我們不要去關心不同檔案系統的具體操作過程，而只是對一個虛擬的檔案操作界面來進行操作，這個操作界面就是 Linux 的虛擬檔案系統(VFS ) 。形象地說，Linux 的 核心好象一個 PC 機的母板，VFS 就是上面的一個插槽，具體的檔案系統就是一塊塊的接 121 卡。因此，每一個檔案系統之間互不干擾，而只是調用相應的程式來實現其功能。在 Linux 的 核心檔案中，VFS 和具體的檔案系統程式都放在 Linux\FS 中，其中每一種檔案系統對應一個子目錄，另外還有一些共用的 VFS 程式。在具體的實現上，每個檔案系統都有自己的檔案操作 數據結構file—operations。所以，VFS 作為 ILinux 核心中的一個軟體層，用於給 用戶空間的程式提供檔案系統接口，同時也提供了核心中的一個抽象功能，允許不同的檔案系統很好地共存。VFS 使 Linux 同時安裝、支持許多不同類型的檔案系統成為可能。VFS 擁有關於各種 特殊檔案系統的公共界面，如超級塊、inode、檔案操作函式入口等。實際檔案系統的細節，統一由 VFS 的公共界面來索引，它們對系統核心和用戶進程來說是透明的。
Linux虛擬檔案系統簡介
虛擬
"虛擬"二字主要有兩層含義：
1, 在同一個目錄結構中, 可以掛載著若干種不同的檔案系統. VFS隱藏了它們的實現細節, 為使用者提供統一的接口；
2, 目錄結構本身並不是絕對的, 每個進程可能會看到不一樣的目錄結構. 目錄結構是由"地址空間(namespace)"來描述的, 不同的進程可能擁有不同的namespace, 不同的namespace可能有著不同的目錄結構(因為它們可能掛載了不同的檔案系統)。
Inode
含義: 索引節點, 對應設備上存放的一個檔案。
創建: 1)在超級塊被載入時, 作為根的inode一併被載入; 2)通過mknod調用創新新的索引節點; 3)在尋找檔案路徑的過程中, 從設備中讀取, 並初始化(跟super_block一樣, inode結構中一部分信息是保存在設備中的, 一部分則是在內在中初始化的)。
函式: i_op, 索引節點函式集, 主要包含對子inode的創建, 刪除等操作. f_op, 檔案函式集, 主要包含對本inode的讀寫等操作. 在inode被創建後, 1)如果是特殊檔案, 則根據對應檔案的類型(包括塊設備, 字元設備, fifo, 等等)賦予特定的函式集(並不直接與設備和檔案系統類型相關); 2)否則, 對應的檔案系統類型會提供相應的函式集, 並且目錄和檔案函式集很可能不同。
操作已打開的檔案
VFS的使用者是進程(用戶訪問檔案系統總是需要啟動進程). 描述進程的task_struct結構中files指針指向了一個files_struct結構, 後者描述了進程已打開的檔案集合。
files_struct結構維護了一個已打開檔案所對應的file結構的指針數組, 數組下標被用作用戶程式操作已打開檔案的句柄(通常稱作fd). files_struct還維護著已使用的fd點陣圖, 以便在需要打開檔案時, 為其分配一個未使用的fd。
詳細見參考文獻。
其它相關
TheVFSInode
和EXT2 檔案系統相同，VFS 中的每個檔案、目錄等都用且只用一個VFS inode表示。每個VFS inode 中的信息通過檔案系統相關例程從底層檔案系統中得到。VFS inode僅存在於 核心記憶體並且保存只要對系統有用，它們就會被保存在在VFS inode cache中。每個VFS inode包含下列域：
⑴device：包含此檔案或此VFS inode 代表的任何東西的設備的設備標誌符。
⑵inode number：檔案系統中唯一的inode號。在虛擬檔案系統中device和inode號的組合是唯一的。
⑶mode：和EXT2 中的相同, 表示此VFS inode 的存取許可權。
⑷user ids：所有者的標誌符。
⑸times：VFS inode 創建、修改和寫入時間。
⑹block size：以 位元組計算的檔案塊大小，如1024 位元組。
⑺inode operations：指向一組例程地址的 指針。這些例程和檔案系統相關且對此inode 執行操作，如截斷此inode表示的檔案。
⑻count：使用此VFS inode 的系統部件數。一個count為0 的inode可以被自由的丟棄或重新使用。
⑼lock： 用來對某個VFS inode加鎖，如用於讀取檔案系統時。
⑽dirty：表示這個VFS inode是否已經被寫過，如果是則底層檔案系統需要更新。
註冊檔案系統
用戶可以通過兩種途徑向 核心註冊檔案系統：一是在編譯核心時確定可支持的檔案系統類型，並在 系統初始化時通過內嵌的 函式調用在VFS中進行註冊；二是把某個檔案系統當作一個模組，利用模組的載入和卸載特徵向註冊表登記類型或從註冊表註銷。
檔案系統類型的註冊函式為：int register filesystem (struct file_system_type *fs)
每個檔案系統都有一個初始化例程，檔案系統通過它在VFS中進行註冊，即填寫file_system_type 數據結構。該結構包含了檔案系統的名稱及一個指向對應VFS超級塊讀取例程的地址。所有已註冊檔案系統的file_system_type結構形成了一個註冊 鍊表，如下圖所示：
file_system_type file_system_type file_system_type
*read_super()
name
owner
kem_mnt
next
*read_super()
name
owner
kem_mnt
next
*read_super()
name
owner
kem_mnt
next
圖5
file_system_type的 數據結構在include/linux/fs.h中定義如下：
struct file_system_type {
const char *name;
//檔案系統的 類型名，如EXT2。這些名稱出現在Linux中的/proc/filesystems中且必須是唯一的。
int fs_flags;
//fs_flags的取值可能有很多種。例如，檔案系統標識FS_REQUIRES_DEV表示檔案系統只能載入在一個 塊設備上；FS_SINGLE表示檔案系統只能有一個超級塊；FS_NOMOUNT表示檔案系統不能安裝在 用戶空間上。
struct super_block *(*read_super) (struct super_block *, void *, int);
//read_super所指的函式用於讀出該檔案系統在外存的超級塊。
struct module *owner;
//如果實現該檔案系統的 程式段是由module動態載入的，則指向該module；如果實現該檔案系統的程式段是在 核心編譯時生成的，則owner = NULL。
struct vfsmount * kem_mnt;
//只為標識為FS_SINGLE的檔案系統使用(For kernel mount)
struct file_system_type * next;
//檔案系統類型 鍊表的後續 指針。
};
安裝檔案系統
檔案系統註冊後便在設備上按一定格式建立檔案系統，但是此時設備上的檔案和節點都還不是可訪問的，還不能按照一定的路徑名訪問其中特定的節點或檔案。只有把它安裝到檔案系統中某個節點上，才能使設備上的檔案和節點可被訪問。因此註冊了wej系統只代表Linux系統支持這種檔案系統的套用，要真正使用該檔案系統還必須安裝它。
檔案系統的安裝必須調用mount命令，把其他子系統安裝到已經存在於檔案系統的空閒節點上。該命令使用系統的mount()調用：asmlinkage ling sys_mount(char * dev_name, char * dir_name, char * type, unsigned long flags, void * data)
其中dev_name是要安裝的檔案系統的 磁碟分區的路徑名，如/dev/hda5。參數dir_name是要安裝的檔案系統的目錄名；type指定 磁碟分區上的檔案系統類型；flags指定該檔案系統如何被安裝；data是指向任意的信息結構的 指針，其內容依賴於被安裝的特定檔案系統類型。
使用mount命令後，VFS通過file_systems在file_system_type 鍊表中根據指定的檔案系統名稱搜尋檔案系統類型信息。而函式get_fs_type()根據具體檔案系統的類型名在 核心中找到相應的file_system_type結構:
struct file_system_type *get_fs_type(const char *name)
{
struct file_system_type *fs;
read_lock(&file_systems_lock);
fs = *(find_filesystem(name));
if (!fs && (request_module(name) == 0)) {
read_lock(&file_systems_lock);
fs = *(find_filesystem(name));
if (fs && !try_inc_mod_count(fs->owner))
fs = NULL;
read_unlock(&file_systems_lock);
}
return fs;
}
其中函式find_filesystem(name)掃描file_system對列，找到所需檔案系統類型的數據結構。
卸載檔案系統
超級用戶卸載檔案系統使用umount命令。
卸載過程必須檢查檔案系統及其超級塊的狀態。如果檔案系統正被其他進程使用該檔案系統就不能被 卸載。如果檔案系統的檔案或目錄正在使用，則VFS 索引節點快取中可能包含相應的VFS索引節點。檢查代碼在該快取中，根據檔案系統所在的設備標識符查找是否有來自該檔案系統的VFS索引節點。如果有且使用計數大於0則說明該檔案系統正在使用，不能被刪除。如果檔案系統的超級塊為“髒”，即被修改，則應先將它寫回到磁碟上。
檔案系統允許在被刪除後，對應的VFS超級塊被釋放，vfsmount 數據結構從vfsmntlist 鍊表中斷開並被釋放。
