我們知道在Linux系統(tǒng)中一切皆文件，如果說文件系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)的基石一點(diǎn)也不過分暖眼。在Linux系統(tǒng)中基本上把其中的所有內(nèi)容都看作文件，除了我們普通意義理解的文件之外，目錄瘾杭、字符設(shè)備、塊設(shè)備哪亿、 套接字粥烁、進(jìn)程、線程蝇棉、管道等都被視為是一個(gè)“文件”讨阻。例如對(duì)于塊設(shè)備，我們通過fdisk -l顯示塊設(shè)備列表篡殷，其實(shí)塊設(shè)備可以理解為在文件夾/dev下面的文件钝吮。只不過這些文件是特殊的文件。
root@vmhost:~# ls /dev/ -alh |grep sd
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Dec 31 09:38 sda
brw-rw---- 1 root disk 8, 16 Dec 31 09:38 sdb
brw-rw---- 1 root disk 8, 32 Dec 31 09:38 sdc
如上面代碼所示板辽，每個(gè)塊設(shè)備的前面有一個(gè)字符串brw-rw----奇瘦，這個(gè)用于描述文件的屬性，其中b字符表示這個(gè)文件是一個(gè)塊設(shè)備劲弦，如果是d字符則表示是一個(gè)文件夾耳标。同樣口四，還有其它類型的設(shè)備也是一文件的形式進(jìn)行表示的麸俘。那么Linux的文件系統(tǒng)要支持如此之多類型的文件是怎么做到的呢理肺？那就是通過虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System簡(jiǎn)稱VFS）踱蛀。
VFS是一個(gè)抽象層阱飘，其向上提供了統(tǒng)一的文件訪問接口差导，而向下則兼容了各種不同的文件系統(tǒng)忆谓。不僅僅是諸如Ext2孙技、Ext4夜赵、XFS和Btrfs等常規(guī)意義上的文件系統(tǒng)明棍，還包括偽文件系統(tǒng)和設(shè)備等等內(nèi)容。由圖1可以看出寇僧，虛擬文件系統(tǒng)位于應(yīng)用與具體文件系統(tǒng)之間摊腋，其主要起適配的作用。對(duì)于應(yīng)用程序來說嘁傀，其訪問的接口是完全一致的（例如open兴蒸、read和write等），并不需要關(guān)系底層的文件系統(tǒng)細(xì)節(jié)细办。也就是一個(gè)應(yīng)用可以對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行任何的讀寫橙凳，不用關(guān)心文件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)。另外，VFS實(shí)現(xiàn)了一部分公共的功能岛啸，例如頁緩存和inode緩存等钓觉，從而避免多個(gè)文件系統(tǒng)重復(fù)實(shí)現(xiàn)的問題。
VFS的存在可以讓Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的文件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系坚踩。如圖2所示荡灾，該系統(tǒng)根文件系統(tǒng)是Ext3文件系統(tǒng)，而在其/mnt目錄下面又分別掛載了Ext4文件系統(tǒng)和XFS文件系統(tǒng)瞬铸。最后形成了一個(gè)由多個(gè)文件系統(tǒng)組成的文件系統(tǒng)樹批幌。
從VFS到具體文件系統(tǒng)
VFS是一個(gè)抽象層，VFS建立了應(yīng)用程序與具體文件系統(tǒng)的聯(lián)系赴捞，其提供了統(tǒng)一的訪問接口實(shí)現(xiàn)對(duì)具體文件系統(tǒng)的訪問（例如Ext2文件系統(tǒng)）逼裆。那么兩者是怎么關(guān)聯(lián)起來的呢？這里涉及如下幾個(gè)處理流程：
- 掛載赦政，也就是具體文件系統(tǒng)（例如Ext2）的掛載
- 打開文件胜宇，我們?cè)谠L問一個(gè)文件之前首先要打開它（open）
- 文件訪問，進(jìn)行文件的讀寫操作（read或者write）
其中第1個(gè)流程其實(shí)是建立VFS和諸如Ext4文件系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)恢着，這樣當(dāng)用戶在后面打開某個(gè)文件的時(shí)候桐愉，VFS就知道應(yīng)該調(diào)用那個(gè)文件系統(tǒng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)。而第2個(gè)流程則是初始化文件系統(tǒng)必要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作函數(shù)（例如read和write等）掰派，為后面的具體操作做準(zhǔn)備从诲。掛載的流程比較復(fù)雜，本文先概括的介紹一下靡羡，后續(xù)再做詳細(xì)介紹系洛。
掛載也是用戶態(tài)發(fā)起的命令，就是我們知道的mount命令略步，該命令執(zhí)行的時(shí)候需要指定文件系統(tǒng)的類型（本文假設(shè)Ext2）和文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的位置（也就是設(shè)備）描扯。通過這些關(guān)鍵信息，VFS就可以完成Ext2文件系統(tǒng)的初始化趟薄，并將其關(guān)聯(lián)到當(dāng)前已經(jīng)存在的文件系統(tǒng)中绽诚，也就是建立其圖2所示的文件系統(tǒng)樹。
本文不介紹代碼細(xì)節(jié)杭煎，僅僅從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面介紹一下Linux文件系統(tǒng)掛載的具體原理恩够。如圖3是虛擬文件系統(tǒng)涉及的主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在掛載的過程中羡铲，最為重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是vfsmount蜂桶，它代表一個(gè)掛載點(diǎn)。其次是dentry和inode也切，這兩個(gè)都是對(duì)文件的表示屎飘，且都會(huì)緩存在哈希表中以提高查找的效率妥曲。其中inode是對(duì)磁盤上文件的唯一表示，其中包含文件的元數(shù)據(jù)（管理數(shù)據(jù)）和文件數(shù)據(jù)等內(nèi)容钦购，但不含文件名稱。而dentry則是為了Linux內(nèi)核中查找文件方便虛擬出來的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)褂萧，其中包含文件名稱押桃、子目錄（如果存在的話）和關(guān)聯(lián)的inode等信息。
這里面dentry結(jié)構(gòu)體最為關(guān)鍵导犹，其維護(hù)了內(nèi)核中的文件目錄樹唱凯。其中里面比較重要的幾個(gè)結(jié)構(gòu)體分別是d_name、d_hash和d_subdirs谎痢。其中d_name代表一個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)的名稱（文件夾名稱）磕昼、d_hash則用于構(gòu)建哈希表，d_subdirs則是下級(jí)目錄（或文件）的列表节猿。這樣票从，通過dentry就可以形成一個(gè)非常復(fù)雜的目錄樹。
其中inode是文件的唯一表示滨嘱，其中除了包含元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的索引之外峰鄙，還包含關(guān)鍵操作的函數(shù)指針。比如對(duì)于文件讀寫和屬性更改等操作接口都存在該結(jié)構(gòu)體中太雨，具體如圖3所示吟榴。這里面主要涉及3個(gè)結(jié)構(gòu)體，分別是address_space囊扳、inode_operations和file_operations吩翻，其中每一個(gè)結(jié)構(gòu)體中都包含很多函數(shù)指針。
回到正題锥咸，所謂文件系統(tǒng)的掛載過程狭瞎，其實(shí)就是構(gòu)建上述幾個(gè)結(jié)構(gòu)體的過程，特別是inode結(jié)構(gòu)體的初始化她君。以Ext4為例脚作，在掛載的時(shí)候就會(huì)將其中的address_space、inode_operations和file_operations函數(shù)指針初始化為Ext4文件系統(tǒng)的函數(shù)缔刹。因此當(dāng)對(duì)文件進(jìn)行訪問的時(shí)候球涛，只要找到這個(gè)inode，就能知道是什么類型的文件系統(tǒng)校镐。
處理流程示例
我們都知道亿扁，在用戶態(tài)打開一個(gè)文件是返回的是一個(gè)文件描述符，其實(shí)也就是一個(gè)整數(shù)值鸟廓。同時(shí)从祝，訪問文件也是通過這個(gè)文件描述符進(jìn)行的襟己，如下面代碼所示的函數(shù)原型。那么操作系統(tǒng)是怎么通過這個(gè)整數(shù)值實(shí)現(xiàn)不同類型文件系統(tǒng)的訪問呢牍陌？前文我們知道不同文件系統(tǒng)的差異其實(shí)就是inode中初始化的函數(shù)指針的差異擎浴，因此問題的關(guān)鍵是這個(gè)文件描述符和inode是怎么關(guān)聯(lián)起來的。
int fd = open（const char *pathname,int flags,mode_t mode）;
ssize_t read(int fd, void * buf, size_t count);
在Linux操作系統(tǒng)中毒涧，文件的打開必須要與進(jìn)程（或者線程）關(guān)聯(lián)贮预，也就是說一個(gè)打開的文件必須隸屬于某個(gè)進(jìn)程。在linux內(nèi)核當(dāng)中一個(gè)進(jìn)程通過task_struct結(jié)構(gòu)體描述契讲，而打開的文件則用file結(jié)構(gòu)體描述仿吞，打開文件的過程也就是對(duì)file結(jié)構(gòu)體的初始化的過程。在打開文件的過程中會(huì)將inode部分關(guān)鍵信息填充到file中捡偏，特別是文件操作的函數(shù)指針唤冈。在task_struct中保存著一個(gè)file類型的數(shù)組，而用戶態(tài)的文件描述符其實(shí)就是數(shù)組的下標(biāo)银伟。這樣通過文件描述符就可以很容易到找到file你虹，然后通過其中的函數(shù)指針訪問數(shù)據(jù)。
例如我們以Ext2文件系統(tǒng)的寫數(shù)據(jù)為例枣申，在調(diào)用用戶態(tài)的寫數(shù)據(jù)接口的時(shí)候售葡，需要傳入文件描述符。內(nèi)核根據(jù)文件描述符找到file忠藤，然后調(diào)用函數(shù)接口（file->f_op->write）文件磁盤數(shù)據(jù)挟伙。其中file結(jié)構(gòu)體的f_op指針就是在打開文件的時(shí)候通過inode初始化的。
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