Linux 核心101 虛擬檔案系統的使命

2021-09-24 07:08:39 字數 2620 閱讀 4025

linux 的成功有一部分原因在於能夠很好的支援不同的檔案系統,你能夠輕鬆透明地把 windows、其他 unix 系統、甚至是占有極小份額的 amiga 使用的檔案系統mount到linux 的檔案系統中。這是通過virtual filesystem(以下簡稱 vfs)實現的。

vfs 背後的 idea 是在 kernel 中抽象出不同檔案系統,針對具體的檔案系統,linux kernel 實現具體的操作方法。當系統呼叫readwrite發生時,kernel 根據操作的具體檔案系統,比如 native linux檔案系統、ntfs(windows nt)等,呼叫相對應的函式。

要執行乙個cp指令:

cp /floppy/test /tmp/test

複製**

其中/floppy是乙個 mount 的ms-dos檔案系統,而/tmp是 ext2。vfs 就是應用程式和底層檔案系統實現之間的乙個抽象層cp不需要知道/floppy/test/tmp/test的檔案系統型別,它只需要呼叫標準的系統呼叫,比如readwrite這些,把底層檔案系統不同帶來的複雜度交給 kernel

示例的**如下:

inf = open("/floppy/test", o_rdonly, 0);

outf = open("/tmp/test",

o_wronly|o_creat|o_trunc, 0600);

do while (i);

close(outf);

close(inf);

複製**

示意圖:

**和截圖**於 《understanding the linux kernel, third edition》 p457

vfs 支援嗯檔案系統一共分為下面三大類:

disk-based fs

本地的 disk。包括:

network fs

這一類支援訪問遠端的檔案系統,比如 nfs、coda、afs 等。

special fs

/proc虛擬檔案系統。

通常來說,root 目錄為 linux 原生的ext2ext3ext4,其他型別的檔案系統通過mount形式 mount 到某個特定子目錄。

vfs 背後的核心idea: 用common file model表示所有現實中的fs。這個模型嚴格使用原生unix fs 模型,每個特定的 fs 都需要將自己的硬體結構翻譯成 common file model。

比如在 common file model 中,目錄也被看做檔案,包含其他的檔案盒目錄。然而,一些非 unix 的 fs,使用的是 file allocation table(fat),這種情況下,目錄不是檔案。但是為了遵循 common file model的規則,linux 對這種 fat-based 的 fs,必須能夠抽象出乙個遵循common file model 的介面。

更加具體點,linux kernel 在處理readioctl這些系統呼叫的時候,不能直接硬編碼,使用某個特定的底層函式。kernel實際上針對每乙個操作,使用的是乙個指標,這個指標指向了針對此檔案系統專門的處理函式。

讓我們來看看kernel 是如何完成上面提到的cp操作的。

應用層呼叫read(),kernel 實際上會呼叫sys_read()service routine(其他的系統呼叫也一樣)。ms-dos fs 的檔案被 kernel memory 中的乙個資料結構表示,這個資料結構包含乙個f_op字段,指向的是針對 ms-dos 的 read 函式。sys_read()找到這個函式然後呼叫它。所以整個過程可以看作是:

read() -> sys_read() -> file data structure -> f_op -> read_for_msdos()

複製**

呼叫write()也一樣,這個系統呼叫會觸發針對ext2fs 的寫呼叫。

簡要來說,對於每個 open()建立的 file object,kernel 需要負責正確賦值此 file object的指標,指向針對此檔案系統的特定函式,然後呼叫這些函式。

vfs 是應用和特定檔案系統之間的一層抽象,有些操作能夠直接在 vfs 層完成,不需要涉及到底層的具體檔案系統。比如說,當程序close file的時候,disk 上的檔案本身是不會改變的,所以 vfs 只要把對應的 file 物件釋放掉就行了。再比如說,lseek()系統呼叫,改變的也是記憶體中的 file 物件,而不需要設計底層的檔案系統。

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