VFS与Ext2文件系统------《深入Linux内核架构》笔记

1. VFS简介(Virtual File System, 虚拟文件系统)

在Linux内核中支持40多种文件系统，其来源也多种多样：来自MS-DOS的FAT文件系统, UFS(Berkeley UNIX), Ext2/3/4, 用于CD-ROM的iso9660, 网络文件系统(如coda和NFS)和虚拟的文件系统(如proc)。

Linux为了向用户空间(如C标准库)提供标准的接口，将所有的文件系统，抽象为统一的文件系统接口----VFS。图1-1 Linux文件系统的结构。

图1-1 Linux文件系统的结构

在Linux中，文件系统主要分为下面3种：

（1）基于磁盘的文件系统（Disk-based Filesystem) 是在非易失介质上存储文件的经典方法，用以在多次会话之间保持文件的内容。如Ext2/3/4， Reiserfs, FAT等。

（2）虚拟文件系统（Virtual Filesystem） 在内核中生成，是一种用户应用程序与内核通信的方法。如proc，它不许要在任何类的硬件设备上分配存储空间，所有的信息都是动态在内存中开辟和存储。

（3）网络文件系统（Network Filesystem） 是基于磁盘的文件系统和虚拟文件系统之间的折中。这种文件系统允许访问另一台计算机上的数据，该计算机通过网络连接到本地计算机。在这种情况下，数据实际上存储在一个不同系统的硬件设备上。

由于VFS抽象层的存在，用户空间进程不会看到本地文件系统与网络文件系统之间的区别。

2. VFS的模型与结构

VFS不仅为文件系统提供了方法和抽象，还支持文件系统中对象（或文件）的统一视图。并非每一种文件系统都支持VFS中的所有抽象，如FAT，因为其设计没有考虑到此类对象。定义一个最小的通用模型，来支持内核中所有文件系统都实现的那些功能，这是不实际的。因为这样会损失许多本质性的功能特性，或者导致这些特性只能通过特定文件系统的路径访问。

VFS的方案完全相反：提供一种结构模型，包含了一个强大文件系统所具备的所有组件。但该模型只存在于虚拟中，必须使用各种对象和函数指针与每种文件系统适配。所有文件系统的实现都必须提供与VFS定义的结构配合的例程，以弥合两种视图之间的差异。

VFS是由基于经典文件系统的结构衍化而来，所以VFS与Ext类文件系统类似，从而在处理Ext类文件系统的时候，Ext和VFS之间的转换，几乎不会损失时间。图1-2 底层为Ext2的VFS结构

图 1-2 底层为Ext2的VFS结构

图1-2中绿色方框的部分为Ext2实现的部分，而Ext2中用户表示目录的结构为ext2_dir_entry_2，

[cpp] view plaincopy

1. struct ext2_dir_entry_2 {  
2.     __le32  inode;      /* Inode number */  
3.     __le16  rec_len;        /* Directory entry length */  
4.     __u8    name_len;   /* Name length */  
5.     __u8    file_type;  
6.     char    name[EXT2_NAME_LEN];    /* File name */  
7. };  

其保存在inode->imapping所指向的空间中。对于dentry_operations，Ext2无须实现本地化，因为采用默认的dentry_operations已能完成所需工作。例，对于FAT，由于在比较两个文件名是否相等时，需要忽略大小写，则必须实现本地化，参见msdos_dentry_operations。图1-2中所涉及的结构体请参考书中的第8，9章和Linux内核源代码。

以下以查询一个目录为例(path_lookup函数)，进行简要说明。其中底层文件系统为Ext2。

1. 首先，内核使用nameidata实例规定查找起点，如果名称以/开始，则使用当前根目录的dentry和vfsmount实例；否则，从当前进程的task_struct获得当前的工作目录。

2. 检查当前路径分量对应的cur_inode的权限，计算路径中next_dir的散列值，。

3. 处理.和..，该任务委托给follow_dotdot函数。

4. 根据2中的散列值和cur_inode的dentry，通过d_hash函数计算出next_dir的dentry在dentry缓存中可能存在其的链表，遍历链表，如果存在，跳至i，如果不存在需要调用real_lookup通过cur_inode查找。

5. real_lookup函数通过dentry->i_op->lookup调用ext2_lookup函数实现对cur_inode->i_mapping内存空间的遍历，来查找目录是否存在于该cur_inode中。如果存在，新建next_dir的dentry项，并存入dentry缓存，跳至i；不存在，返回错误。

i. 用next_dir的inode更新cur_inode，并得到一下个需要查找的目录，返回2。如果查找完毕，则成功。

注：在通过当前目录查找某个子目录是否存在的时候，使用了ext2_lookup函数直接遍历该目录的数据域，如果是文本文件会咋样呢？文本文件在建立的时候对其对应的inode的i_op域的初始化为ext2_file_inode_operations。所以文本文件的inode->i_op->lookup将为NULL。

文中部分内容涉及自己对文件系统的理解，难免有不足之处，请多谅解。