文件系统考古：如何支持多个文件系统

Steve Kleiman 在 1986 年撰写了《Vnodes: An Architecture for Multiple File System Types in Sun UNIX^[3]》一文。这篇论文幅较短，大部分内容是数据结构的列举，以及 C 语言结构之间相互指向的图表。

Steve Kleiman是分布式文件系统领域的专家，在 Sun Microsystem 工作了多年，曾参与开发 Sun Network File System（NFS）等项目，为分布式文件系统领域做出了重要贡献。

Kleiman 希望在 Unix 中能够拥有多个文件系统，并希望这些文件系统能够共享接口和内存。具体而言，他希望设计一个能够提供以下功能的架构：

一个可以支持多个实现的通用接口；支持 BSD FFS，以及两个远程文件系统 NFS 和 RFS，还有特定的非 Unix 文件系统，如 MS-DOS；接口定义的操作需要是原子性的。

并且，能够在不影响性能的情况下动态地处理内存和数据结构，支持重入（reentrant) 和多核，并且具有一定面向对象进行编程的特性。

重入（reentrant) 是指程序或子程序在尚未完成上一次调用之前，可以再次被调用且不会出错或发生冲突。

两个抽象概念

Steven 研究了文件系统的各种操作，决定将他们抽象为两个概念：

• • vfs，虚拟文件系统，代表文件系统

• • vnode，虚拟 inode，代表文件

vfs，虚拟文件系统，它提供统一的接口，使操作系统可以以一致的方式访问不同的文件系统，无论是本地文件系统还是网络文件系统。

vnode，虚拟 inode, 表示一个文件，每个文件都有一个相关联的索引节点，其中包含了文件的元数据（如文件权限、所有者、大小等）以及指向文件数据存储位置的指针。

采用了 C++风格（实际使用 C 语言），每一个类型会匹配一个虚函数表，通过虚函数表，系统在运行时根据对象的实际类型来调用适当的虚函数，实现动态绑定：

• • 对于 vfs 类型，其虚函数表 struct vfsops，包含了一系列的函数指针，用来执行诸如 mount、unmount、sync 和 vget 等操作。在论文的后面，会解释这些函数的原型和功能；

• • 对于 vnode 类型也是类似的，其虚函数表 struct vnodeops，包含 open、rdwr 和 close 等函数，还有create、unlink 和 rename 等函数。一些函数是针对特定的文件类型的，比如 readlink、mkdir、readdir 和 rmdir。

通过 vfs 对象来进行跟踪实际的挂载，其虚函数表 struct vfsops 指向适用于该特定子树的文件系统操作。

类似地，vnode 实例用来进行跟踪打开的文件。它包含 struct *vnodeops 指针，作为 vfs 的一部分，有指针 struct *vfs 指向文件系统实例。

vfs 和 vnode 这两个结构体都需要一些用于存储特定实现数据的字段（如“子类私有字段”）。他们都以 caddr_t ...data 指针结尾。这些私有数据并不是 vfs 和 vnode 的一部分，而是位于其他位置，并通过指针进行引用。

Vnodes 实操

在论文中，有一整页的内容专门用于展示各种相互指向的结构。乍一看可能会感到困惑，但一旦追踪下来，就会发现它非常直观和优雅。

Kleiman 详细解释了如何使用 lookuppn() 函数来解释事物的工作原理，该函数替代了传统 Unix 中的 namei() 函数。类似于 namei() ，这个函数接受一个路径，并返回表示该路径所代表的 vnode 的 struct vnode 指针。

路径遍历始于根 vnode 或当前进程的当前目录 vnode，具体取决于路径的第一个字符是否为 /。

然后，这个函数会依次取出路径的每一个子项，并调用当前 vnode 的 lookup 函数，它接受一个路径子项和一个假设是目录的当前 vnode，并返回代表那个子项的 vnode。

当一个目录是个挂载点，它的 vfsmountedhere 会被设置为一个指向 struct vfs 的指针。lookuppn 函数会跟随这个指针，并调用 vfs 的根函数，以获取该文件系统的根 vnode，替换当前正在处理的 vnode。

反过来也是可能的：当解析父目录（".. "）时，如果当前 vnode 的 "flags" 字段中设置了根标志，我们会跟随 vfsmountedhere 指针从当前 vnode 到 vfs。然后，我们可以使用该 vfs 中的 vnodecovered 字段来获取上层文件系统的 vnode。

无论如何，在成功完成后，会返回一个 struct vnode 指针，即所使用的路径。

新增的系统调用

为了使系统高效地运行，需要添加一些新的系统调用来完善接口。

在 Unix 的历史中，我们看到引入了 statsfs 和 fstatsfs ，通过这两个函数可以获得与用户空间中的文件系统进行交互的接口。getdirentries 函数可以让用户一次性获取多个目录条目（取决于提供的缓冲区大小），这大大加快了远程文件系统的目录读取速度。

在 Linux 系统中

通过查看 Linux 内核源代码，我们可以找到 Kleiman 设计的总体结构，尽管 Linux 内核的复杂性和丰富性掩盖了其中大部分内容。Linux 内核拥有丰富的文件系统类型，并且还添加了许多在 40 年前的 BSD 中不存在的功能。因此，我们可以找到更多的数据结构和系统调用，它们被用于实现命名空间、配额、属性、只读模式、目录名称缓存等功能。

文件

如果你仔细观察，原始的结构仍然可以找到：Linux 内存中的文件相关结构分为两部分，一个是已打开的文件，它是一个带有当前位置的 inode；另一个是 inode，它代表整个文件。

我们可以在此处找到文件对象^[4]，struct file 的实例。在文件的所有其他内容中，最值得注意的是一个字段 loff_t f_pos，它表示文件当前位置距离文件起始位置的偏移量（以字节为单位）。

文件的类^[5]是通过一个虚函数表来定义。我们可以找到一个指针 struct file_operations *f_op 。它展示了文件可以执行的所有操作，其中最常见的是打开（open）、关闭（close）、定位（lseek）、读取（read）和写入（write）。

文件还包含指向 inode 的指针，即 struct inode *f_inode。

索引节点

对于不需要偏移量的文件操作，它们是针对整个文件进行的，定义为 struct inode *。

查看此处^[6]的定义。我们可以看到这里还有其他的定义，40 年前的 BSD 中没有类似的定义，比如 ACL（访问控制列表）和属性（attributes）。

我们发现 inode 的类^[7]通过虚函数表来定义，即 struct inode_operations *i_op。同样的，这其中很多函数涉及新特性，比如 ACL（访问控制列表）和扩展属性，但我们也会找到我们期望的功能，比如链接（link）、删除（unlink）、重命名（rename）等。

Inode 还包含一个指向文件系统的指针，即 struct super_block *i_sb。

超级块

挂载点用 struct super_block 来表示，在此处查看其定义。同样地，它有 struct super_operations *s_op 定义的各个操作，在此处^[8]查看其定义。

支持的文件系统不再有限，可以通过内核模块动态地添加新的文件系统，通过数据结构 struct file_system_type 来表示，它只有一个用于创建 superblock 的工厂函数 mount。

小结

Unix 发生了变化。它的运行时变得更加复杂，增加了许多新的功能，并增加了系统调用。系统变得更有结构。

但是，由 Steve Kleiman 和 Bill Joy（BSD 操作系统的共同创始人之一） 构思的原始设计和数据结构仍然存在，在当前的 Linux 系统中仍然可以找到，虽然已经过去了 40 年。

引用链接

[1] 50 years in filesystems: https://blog.koehntopp.info/2023/05/05/50-years-in-filesystems-1974.html
[2] KRISTIAN KÖHNTOPP: https://chaos.social/@isotopp
[3] Vnodes: An Architecture for Multiple File System Types in Sun UNIX: https://www.semanticscholar.org/paper/Vnodes%3A-An-Architecture-for-Multiple-File-System-in-Kleiman/e0d14c74f23ef9b21c2fc37b5197fbfe348a7fcf
[4] 文件对象: (https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.3/include/linux/fs.h#L942C3-L981
[5] 文件的类: (https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.3/include/linux/fs.h#L1754-L1798)
[6] 此处: https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.3/include/linux/fs.h#L595-L705
[7] inode 的类: (https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.3/include/linux/fs.h#L1800-L1840)
[8] 在此处: https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.3/include/linux/fs.h#L1886-L1918

END

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