大家好，今天和大家探討一下Linux虛擬文件系統，虛擬文件系統是我一直想要去聊的一個知識點，如果你想從事Linux開發(fā)相關的工作，一定要了解虛擬文件系統。

1.什么是虛擬文件系統？

Linux虛擬文件系統（Virtual File System，VFS）是Linux操作系統中的一個重要組成部分，它提供了一個統一的接口，使得用戶和應用程序可以通過相同的方式訪問不同類型的文件系統。

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VFS的設計目標是將不同類型的文件系統抽象為一個統一的接口，使得用戶和應用程序無需關心底層文件系統的具體實現細節(jié)。通過VFS用戶可以使用相同的系統調用（如open、read、write等）來訪問不同類型的文件系統，包括本地文件系統（如ext4、XFS等）、網絡文件系統（如NFS、CIFS等）以及虛擬文件系統（如procfs、sysfs等）。

VFS由以下幾個主要組件組成：

• 虛擬文件系統接口：VFS定義了一組通用的文件系統操作接口。
• 超級塊（super_block）：每個文件系統都有一個超級塊，它包含了文件系統的元數據信息，如文件系統類型、塊大小、inode表等，超級塊提供了對文件系統的整體描述和管理。
• 目錄項（dentry）：dentry是目錄項的縮寫，用于表示文件系統中的目錄和文件，dentry包含了目錄和文件對應的inode指針，通過它可以快速定位到目錄下的文件或子目錄。
• 文件節(jié)點（inode）：inode是文件系統中的一個數據結構，用于存儲文件或目錄的元數據信息，如文件大小、權限、所有者等，每個文件或目錄都對應一個唯一的inode。
• 文件對象（file）：file是表示打開文件的數據結構，它包含了對應的inode指針、當前讀寫位置等信息，通過file可以進行文件的讀寫操作。

2.Linux系統文件樹

對于一個普通的Linux用戶或者運維人員，Linux系統文件樹通常的樣子如下圖，以根文件系統根目錄為起點，通過根目錄遍歷整個文件樹。

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而在系統開發(fā)人員眼中，Linux系統文件樹則變成這樣一個結構，每個文件和目錄都對應一個dentry結構體。

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dentry到底是什么？

dentry結構體的主要作用是提供文件系統層次結構的表示，它們通過形成一個樹狀結構來組織目錄和文件，每個dentry都有一個唯一的路徑名，可以通過遍歷dentry樹來找到特定文件或目錄。

struct dentry結構體定義：

struct dentry {
    struct dentry *d_parent;
    struct qstr d_name;
    struct inode *d_inode;
   
    const struct dentry_operations *d_op;
    struct super_block *d_sb; 
    struct list_head d_child;
    struct list_head d_subdirs;
    ....
};

struct dentry結構體通過d_parent，d_child，d_subdirs等成員將文件系統組成一顆文件樹，要了解Linux文件系統，我們得學會運用dentry。

小節(jié)：dentry是VFS重要的組成部分，要理解VFS先從dentry開始。

3.文件系統注冊

通過前面的學習，我們了解到dentry結構的重要性，接下來圍繞dentry結構體來解析文件VFS各組件之間的關系，我們先來看一下整體架構圖：

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Linux文件系統對應一個file_system_type結構體對象，file_system_type結構體定義如下：

struct file_system_type {
    const char *name;
    int fs_flags;
    int (*init_fs_context)(struct fs_context *);
    const struct fs_parameter_spec *parameters;
    struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
                 const char *, void *);
    void (*kill_sb) (struct super_block *);
    ......
};

ramfs文件系統定義如下，name表示文件系統類型，當ramfs文件系統需要實例化，需要通過name查找全局文件系統鏈表頭找到對應的已注冊文件系統，再通過已注冊文件系統創(chuàng)建超級塊（super block）。

static struct file_system_type ramfs_fs_type = {
      .name = "ramfs",
      .init_fs_context = ramfs_init_fs_context,
      .parameters = ramfs_fs_parameters,
      .kill_sb = ramfs_kill_sb,
      .fs_flags = FS_USERNS_MOUNT,
};

定義好文件系統后，通過register_filesystem函數將文件系統注冊至Linux系統，注冊成功的文件系統會插入全局文件系統鏈表，已注冊的文件系統能夠用來創(chuàng)建超級塊（super block）。

通過cat /proc/filesystems查看系統所有已注冊文件系統

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4.文件系統掛載

文件系統掛載就是新文件系統生成一個掛載實例（struct mount），讓新掛載實例和父文件系統的掛載實例建立父子關系。

一個新的掛載實例包括幾個重要部分：

• 超級塊（super_block）

超級塊用來指示新的文件系統對應的設備。

• 父掛載實例（mount）

父掛載實例表示掛載點所處的文件系統掛載實例。

• 掛載點（mountpoint）

掛載點是新文件系統和父文件系統之間連接的紐帶。

• 文件系統根目錄（dentry）

每個文件系統都有一個根目錄，當索引一個文件路徑進入到一個新的文件系統后，會從新的文件系統根目錄開始索引。

4.1 索引掛載點

索引掛載點的目的是為了獲取掛載點的struct path記錄信息，掛載點索引的過程就是struct path記錄信息不斷被替換的過程。

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以掛載點/mnt/test/dir為例來講解：

1. 索引/目錄，獲取/目錄的path記錄信息。
2. 索引mnt目錄，獲取mnt目錄的path記錄信息，并覆蓋/目錄的path記錄信息。
3. 索引test目錄，獲取test目錄的path記錄信息，并覆蓋mnt目錄的path記錄信息。
4. 索引dir目錄，獲取dir目錄的path記錄信息，并覆蓋test目錄的path記錄信息。
5. 最終獲取到掛載點dir的struct path記錄信息。

struct path結構體定義如下：

struct path {
      struct vfsmount *mnt;
      struct dentry *dentry;
};

mnt：記錄掛載點所在文件系統的掛載實例。

dentry：掛載點目錄dentry。

4.2 創(chuàng)建新文件系統掛載實例

• 創(chuàng)建超級塊

要創(chuàng)建超級塊首先要知道文件系統類型，mount命令通過-t參數指定文件系統類型，通過mount命令傳入的文件系統類型，可以遍歷全局文件系統鏈表找到已注冊的文件系統，通過已注冊的文件系統創(chuàng)建超級塊。

• 創(chuàng)建新文件系統掛載實例

創(chuàng)建超級塊后，通過超級塊的信息創(chuàng)建新文件系統掛載實例。

• 創(chuàng)建掛載點

通過掛載點dentry創(chuàng)建一個掛載點。

4.3 新舊掛載實例對接

通過前面的過程，我們已經具備文件系統掛載三要素：

• 新文件系統掛載實例。
• 父文件系統掛載實例。
• 掛載點。

通過掛載三要素，我們就能完成新舊掛載實例對接，完成對接后，新文件系統掛載實例的mnt_parent指向父掛載實例，整個掛載過程就已經完成。

新文件系統掛載成功后，Linux系統文件樹將新文件系統嫁接進來，如下圖：

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此時我們想要操作新文件系統中的文件，只需要根據路徑名層層索引獲取文件path信息，path信息記錄dentry信息，dentry綁定了inode對象。

最終獲取到inode文件節(jié)點就能操作文件了。