介紹虛擬文件系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)

在 Unix 的世界里，有句很經(jīng)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(tǒng)中所有的對象都當(dāng)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(tǒng)，也努力實現(xiàn)這個目標(biāo)。

虛擬文件系統(tǒng)簡介

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

如果大家使用過面向?qū)ο?a target="_blank">編程語言（如C++/Java等）的話，應(yīng)該對接口這個概念并不陌生。而虛擬文件系統(tǒng)類似于面向?qū)ο笾械慕涌?，定義了一套標(biāo)準(zhǔn)的接口。開發(fā)者只需要實現(xiàn)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(lán)色部分就是虛擬文件系統(tǒng)所在位置。

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

今天，我們就來介紹虛擬文件系統(tǒng)的原理與實現(xiàn)。

虛擬文件系統(tǒng)原理

在闡述虛擬文件系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)了。我們使用 Java 的接口來模擬虛擬文件系統(tǒng)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(xiàn)在我們來定義一個名為Ext3File的對象來實現(xiàn)這個接口：

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

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

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

...
}

現(xiàn)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(xiàn)VFSFile接口，就可以使用VFSFile接口相關(guān)的方法來操作對象，用戶完全不需要了解底層對象的實現(xiàn)過程。

虛擬文件系統(tǒng)原理

上面的 Java 例子已經(jīng)大概說明虛擬文件系統(tǒng)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(nèi)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(nèi)核是如何實現(xiàn)的。

1. file結(jié)構(gòu)

為了模擬接口，Linux 內(nèi)核定義了一個名為file的結(jié)構(gòu)體，其定義如下：

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

在 file 結(jié)構(gòu)中，最為重要的一個字段就是f_op，其類型為file_operations結(jié)構(gòu)。而file_operations結(jié)構(gòu)是由一組函數(shù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)了file_operations結(jié)構(gòu)中的方法，應(yīng)該就能接入到虛擬文件系統(tǒng)中。

在 Linux 內(nèi)核中，file結(jié)構(gòu)代表著一個被打開的文件。所以，只需要將file結(jié)構(gòu)的f_op字段設(shè)置成不同文件系統(tǒng)實現(xiàn)好的方法集，那么就能夠使用不同文件系統(tǒng)的功能。

這個過程在__dentry_open()函數(shù)中實現(xiàn)，如下所示：

staticstructfile*
__dentry_open(structdentry*dentry,
structvfsmount*mnt,
tructfile*f,
int(*open)(structinode*,structfile*),
conststructcred*cred)
{
...
inode=dentry->d_inode;
...
//設(shè)置file結(jié)構(gòu)的f_op字段為底層文件系統(tǒng)實現(xiàn)的方法集
f->f_op=fops_get(inode->i_fop);
...
returnf;
}

設(shè)置好file結(jié)構(gòu)的f_op字段后，虛擬文件系統(tǒng)就能夠使用通用的接口來操作此文件了。調(diào)用過程如下：

2. file_operations結(jié)構(gòu)

底層文件系統(tǒng)需要實現(xiàn)虛擬文件系統(tǒng)的接口，才能被虛擬文件系統(tǒng)使用。也就是說，底層文件系統(tǒng)需要實現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)中的方法集。

一般底層文件系統(tǒng)會在其內(nèi)部定義好file_operations結(jié)構(gòu)，并且填充好其方法集中的函數(shù)指針。如minix文件系統(tǒng)就定義了一個名為minix_file_operations的file_operations結(jié)構(gòu)。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(dāng)前使用的是 minix 文件系統(tǒng)，當(dāng)使用read()函數(shù)讀取其文件的內(nèi)容時，那么最終將會調(diào)用do_sync_read()函數(shù)來讀取文件的內(nèi)容。

3. dentry結(jié)構(gòu)

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

dentry結(jié)構(gòu)表示一個打開的目錄項，當(dāng)我們打開文件/usr/local/lib/libc.so文件時，內(nèi)核會為文件路徑中的每個目錄創(chuàng)建一個dentry結(jié)構(gòu)。如下圖所示：

可以看到，file結(jié)構(gòu)有個指向dentry結(jié)構(gòu)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(guān)的操作接口，所以在dentry結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
...
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(nèi)核在打開文件時，會為路徑中的每個目錄創(chuàng)建一個dentry結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

在 Linux 內(nèi)核中，inode結(jié)構(gòu)表示一個真實的文件。為什么有了dentry結(jié)構(gòu)還需要inode結(jié)構(gòu)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(chuàng)建一個硬鏈接：

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

現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)保存了文件的所有屬性值，如文件的創(chuàng)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(chuàng)建時間
...
unsignedshorti_bytes;//文件大小
...
conststructfile_operations*i_fop;//文件操作方法集（用于設(shè)置file結(jié)構(gòu)）
...
};

我們注意到 inode 結(jié)構(gòu)有個類型為file_operations結(jié)構(gòu)的字段i_fop，這個字段保存了文件的操作方法集。當(dāng)用戶調(diào)用open()系統(tǒng)調(diào)用打開文件時，內(nèi)核將會使用inode結(jié)構(gòu)的i_fop字段賦值給file結(jié)構(gòu)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(yīng)的inode對象
inode=dentry->d_inode;
...
//使用inode結(jié)構(gòu)的i_fop字段賦值給file結(jié)構(gòu)的f_op字段
f->f_op=fops_get(inode->i_fop);
...
returnf;
}

總結(jié)

本文主要介紹了虛擬文件系統(tǒng)的基本原理，從分析中可以發(fā)現(xiàn)，虛擬文件系統(tǒng)使用了類似于面向?qū)ο缶幊陶Z言中的接口概念。正是有了虛擬文件系統(tǒng)，Linux 才能支持各種各樣的文件系統(tǒng)。

審核編輯：劉清