细说 Linux 虚拟文件系统原理

公众号新闻

2023-01-30 04:01

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 一切对象皆是文件 这个目标，Linux 内核提供了一个中间层：虚拟文件系统（Virtual File System）。

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

public interface VFSFile {
  int open(String file, int mode);
  int read(int fd, byte[] buffer, int size);
  int write(int fd, byte[] buffer, int size);
  ...
}

上面定义了一个名为 VFSFile 的接口，接口中定义了一些方法，如 open()、read() 和 write() 等。现在我们来定义一个名为 Ext3File 的对象来实现这个接口：

public class Ext3File implements VFSFile {
  @Override
  public int open(String file, int mode) {
    ...
  }
  
  @Override
  public int read(int fd, byte[] buffer, int size) {
    ...
  }
  
  @Override
  public int write(int fd, byte[] buffer, int size) {
    ...
  }
  
  ...
}

现在我们就能使用 VFSFile 接口来操作 Ext3File 对象了，如下代码：

public class Main() {
  public static void main(String[] args) {
    VFSFile file = new Ext3File();
    
    int fd = file.open("/tmp/file.txt", 0);
    ...
  }
}

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

struct file {
    ...
    const struct file_operations *f_op;
    ...
};

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

struct file_operations {
    ...
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    ...
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    ...
};

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

static struct file *
__dentry_open(struct dentry *dentry, 
              struct vfsmount *mnt, 
              truct file *f, 
              int (*open)(struct inode *, struct file *), 
              const struct cred *cred)
{
    ...
    inode = dentry->d_inode;
    ...
    // 设置file结构的f_op字段为底层文件系统实现的方法集
    f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
    ...
    return f;
}

设置好 file 结构的 f_op 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 file_operations 结构中的方法集。

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

// 文件：fs/minix/file.c

const struct file_operations minix_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,
};

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

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

可以看到，file 结构有个指向 dentry 结构的指针，如下所示：

struct file {
    ...
    struct path f_path;
    ...
    const struct file_operations *f_op;
    ...
};

struct path {
    ...
    struct dentry *dentry;
};

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

struct dentry {
    ...
    struct dentry *d_parent;              // 父目录指针
    struct qstr d_name;                   // 目录名字
    struct inode *d_inode;                // 指向inode结构
    ...
    const struct dentry_operations *d_op; // 操作方法集
    ...
};

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

4. inode结构

在 Linux 内核中，inode 结构表示一个真实的文件。为什么有了 dentry 结构还需要 inode 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 /usr/local/lib/libc.so 文件创建一个硬链接：

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

现在 /usr/local/lib/libc.so 和 /tmp/libc.so 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 inode 结构了。如下图所示：

由于 /usr/local/lib/libc.so 和 /tmp/libc.so 指向同一个文件，所以它们都使用同一个 inode 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：

struct inode {
    ...
    uid_t           i_uid;               // 文件所属用户
    gid_t           i_gid;               // 文件所属组
    ...
    struct timespec i_atime;             // 最后访问时间
    struct timespec i_mtime;             // 最后修改时间
    struct timespec i_ctime;             // 文件创建时间
    ...
    unsigned short  i_bytes;             // 文件大小
    ...
    const struct file_operations *i_fop; // 文件操作方法集（用于设置file结构）
    ...
};

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

static struct file *
__dentry_open(struct dentry *dentry, 
              struct vfsmount *mnt, 
              truct file *f, 
              int (*open)(struct inode *, struct file *), 
              const struct cred *cred)
{
    ...
    // 文件对应的inode对象
    inode = dentry->d_inode;
    ...
    // 使用inode结构的i_fop字段赋值给file结构的f_op字段
    f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
    ...
    return f;
}