“虚拟文件系统”的意思、由来-中文百科全书

虚拟文件系统简介

虚拟文件系统 Virtual File Systems（VFS）

Linux 是近年来发展起来的一种新型的操作系统，其最重要的特征之一就是支持多种文件系统，使其更加灵活，从而与许多其它的操作系统共存。Linux支持ext，ext2，xia，minix，umsdos，msdes，fat32 ，ntfs,proc，stub，ncp，hpfs，affs 以及 ufs 等多种文件系统。为了实现这一目的，Linux 对所有的文件系统采用统一的文件界面，用户通过文件的操作界面来实现对不同文件系统的操作。对于用户来说，我们不要去关心不同文件系统的具体操作过程，而只是对一个虚拟的文件操作界面来进行操作，这个操作界面就是 Linux 的虚拟文件系统(VFS ) 。形象地说，Linux 的内核好象一个 PC 机的母板，VFS 就是上面的一个插槽，具体的文件系统就是一块块的接 121 卡。因此，每一个文件系统之间互不干扰，而只是调用相应的程序来实现其功能。在 Linux 的内核文件中，VFS 和具体的文件系统程序都放在 Linux\\FS 中，其中每一种文件系统对应一个子目录，另外还有一些共用的 VFS 程序。在具体的实现上，每个文件系统都有自己的文件操作数据结构 file—operations。所以，VFS 作为 ILinux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口，同时也提供了内核中的一个抽象功能，允许不同的文件系统很好地共存。VFS 使 Linux 同时安装、支持许多不同类型的文件系统成为可能。VFS 拥有关于各种特殊文件系统的公共界面，如超级块、inode、文件操作函数入口等。实际文件系统的细节，统一由 VFS 的公共界面来索引，它们对系统核心和用户进程来说是透明的。

虚拟文件系统功能

VFS的功能包括：纪录可用的文件系统的类型；将设备同对应的文件系统联系起来；处理一些面向文件的通用操作；涉及到针对文件系统的操作时，VFS把它们影射到与控制文件、目录以及inode相关的物理文件系统。

当某个进程发布了一个面向文件的系统调用时，核心将调用VFS中相应的函数，这个函数处理一些与物理结构无关的操作，并且把它重定向为真实文件系统中相应的函数调用，后者则用来处理那些与物理结构相关的操作。

VFS与实际文件系统的封装关系如下图所示：

VFS

MINIX FS

VFSinode缓存

VFS目录缓存

EXT FS

EXT2 FS

MSDS FS

缓冲存储

I/O设备驱动

图4 VFS与实际文件系统的封装关系

VFS的源代码集中在/usr/src/linux/fs目录下，关于它的数据结构的描述在文件/usr/src/lunux/include/linux/fs.h中。

虚拟文件系统超级块

VFS使用了与EXT2文件系统类似的方式：超级块和索引节点inode描述文件系统。

VFS超级块是各种逻辑文件系统在安装时建立的，并在这些文件系统卸载时自动删除，它只存在于内存中。VFS中保存了系统中挂接的文件系统的链表以及这些文件系统对应的VFS超级块。系统启动后所有被初始化的文件系统都要向VFS登记。每个已安装的文件系统由一个VFS 超块表示它包含如下信息：

⑴Device：表示文件系统所在块设备的设备标志符。例如系统中第一个IDE 硬盘的设备标志符为0x301。

⑵Inode pointers：这个mounted inode指针指向文件系统中第一个inode。而covered inode指针指向此文件系统安装目录的inode。根文件系统的VFS超块不包含covered指针。

⑶Blocksize：以字节记数的文件系统块大小，如1024 字节。

⑷Superblock operations：指向此文件系统一组超块操纵例程的指针。这些例程被VFS 用来读写inode和超块。

⑸File System type：这是一个指向已安装文件系统的file_system_type结构的指针。

⑹File System specific：指向文件系统所需信息的指针。

The VFS Inode

和EXT2 文件系统相同，VFS 中的每个文件、目录等都用且只用一个VFS inode表示。每个VFS inode 中的信息通过文件系统相关例程从底层文件系统中得到。VFS inode仅存在于核心内存并且保存只要对系统有用，它们就会被保存在在VFS inode cache中。每个VFS inode包含下列域：

⑴device：包含此文件或此VFS inode 代表的任何东西的设备的设备标志符。

⑵inode number：文件系统中唯一的inode号。在虚拟文件系统中device和inode号的组合是唯一的。

⑶mode：和EXT2 中的相同, 表示此VFS inode 的存取权限。

⑷user ids：所有者的标志符。

⑸times：VFS inode 创建、修改和写入时间。

⑹block size：以字节计算的文件块大小，如1024 字节。

⑺inode operations：指向一组例程地址的指针。这些例程和文件系统相关且对此inode 执行操作，如截断此inode表示的文件。

⑻count：使用此VFS inode 的系统部件数。一个count为0 的inode可以被自由的丢弃或重新使用。

⑼lock：用来对某个VFS inode加锁，如用于读取文件系统时。

⑽dirty：表示这个VFS inode是否已经被写过，如果是则底层文件系统需要更新。

注册文件系统

用户可以通过两种途径向内核注册文件系统：一是在编译内核时确定可支持的文件系统类型，并在系统初始化时通过内嵌的函数调用在VFS中进行注册；二是把某个文件系统当作一个模块，利用模块的加载和卸载特征向注册表登记类型或从注册表注销。

文件系统类型的注册函数为：int register filesystem (struct file_system_type *fs)

每个文件系统都有一个初始化例程，文件系统通过它在VFS中进行注册，即填写file_system_type数据结构。该结构包含了文件系统的名称及一个指向对应VFS超级块读取例程的地址。所有已注册文件系统的file_system_type结构形成了一个注册链表，如下图所示：

file_system_type file_system_type file_system_type

*read_super()

name

owner

kem_mnt

*read_super()

name

owner

kem_mnt

*read_super()

name

owner

kem_mnt

图5

file_system_type的数据结构在include/linux/fs.h中定义如下：

struct file_system_type {

const char *name;

//文件系统的类型名，如EXT2。这些名称出现在Linux中的/proc/filesystems中且必须是唯一的。

int fs_flags;

//fs_flags的取值可能有很多种。例如，文件系统标识FS_REQUIRES_DEV表示文件系统只能加载在一个块设备上；FS_SINGLE表示文件系统只能有一个超级块；FS_NOMOUNT表示文件系统不能安装在用户空间上。

struct super_block *(*read_super) (struct super_block *, void *, int);

//read_super所指的函数用于读出该文件系统在外存的超级块。

struct module *owner;

//如果实现该文件系统的程序段是由module动态载入的，则指向该module；如果实现该文件系统的程序段是在内核编译时生成的，则owner = NULL。

struct vfsmount * kem_mnt;

//只为标识为FS_SINGLE的文件系统使用(For kernel mount)

struct file_system_type * next;

//文件系统类型链表的后续指针。

};

安装文件系统

文件系统注册后便在设备上按一定格式建立文件系统，但是此时设备上的文件和节点都还不是可访问的，还不能按照一定的路径名访问其中特定的节点或文件。只有把它安装到文件系统中某个节点上，才能使设备上的文件和节点可被访问。因此注册了wej系统只代表Linux系统支持这种文件系统的应用，要真正使用该文件系统还必须安装它。

文件系统的安装必须调用mount命令，把其他子系统安装到已经存在于文件系统的空闲节点上。该命令使用系统的mount()调用：asmlinkage ling sys_mount(char * dev_name, char * dir_name, char * type, unsigned long flags, void * data)

其中dev_name是要安装的文件系统的磁盘分区的路径名，如/dev/hda5。参数dir_name是要安装的文件系统的目录名；type指定磁盘分区上的文件系统类型；flags指定该文件系统如何被安装；data是指向任意的信息结构的指针，其内容依赖于被安装的特定文件系统类型。

使用mount命令后，VFS通过file_systems在file_system_type链表中根据指定的文件系统名称搜索文件系统类型信息。而函数get_fs_type()根据具体文件系统的类型名在内核中找到相应的file_system_type结构:

struct file_system_type *get_fs_type(const char *name)

{

struct file_system_type *fs;

read_lock(&file_systems_lock);

fs = *(find_filesystem(name));

if (!fs && (request_module(name) == 0)) {

read_lock(&file_systems_lock);

fs = *(find_filesystem(name));

if (fs && !try_inc_mod_count(fs->owner))

fs = NULL;

read_unlock(&file_systems_lock);

}

return fs;

}

其中函数find_filesystem(name)扫描file_system对列，找到所需文件系统类型的数据结构。

卸载文件系统

超级用户卸载文件系统使用umount命令。

卸载过程必须检查文件系统及其超级块的状态。如果文件系统正被其他进程使用该文件系统就不能被卸载。如果文件系统的文件或目录正在使用，则VFS索引节点缓存中可能包含相应的VFS索引节点。检查代码在该缓存中，根据文件系统所在的设备标识符查找是否有来自该文件系统的VFS索引节点。如果有且使用计数大于0则说明该文件系统正在使用，不能被删除。如果文件系统的超级块为“脏”，即被修改，则应先将它写回到磁盘上。

文件系统允许在被删除后，对应的VFS超级块被释放，vfsmount数据结构从vfsmntlist链表中断开并被释放。

词条	虚拟文件系统
释义	虚拟文件系统(VFS)是由Sun microsystems公司在定义网络文件系统(NFS)时创造的。它是一种用于网络环境的分布式文件系统，是允许和操作系统使用不同的文件系统实现的接口。虚拟文件系统（VFS）是物理文件系统与服务之间的一个接口层，它对Linux的每个文件系统的所有细节进行抽象，使得不同的文件系统在Linux核心以及系统中运行的其他进程看来，都是相同的。严格说来，VFS并不是一种实际的文件系统。它只存在于内存中，不存在于任何外存空间。VFS在系统启动时建立，在系统关闭时消亡。虚拟文件系统简介虚拟文件系统功能虚拟文件系统超级块 The VFS Inode 注册文件系统安装文件系统卸载文件系统虚拟文件系统简介虚拟文件系统 Virtual File Systems（VFS） Linux 是近年来发展起来的一种新型的操作系统，其最重要的特征之一就是支持多种文件系统，使其更加灵活，从而与许多其它的操作系统共存。Linux支持ext，ext2，xia，minix，umsdos，msdes，fat32 ，ntfs,proc，stub，ncp，hpfs，affs 以及 ufs 等多种文件系统。为了实现这一目的，Linux 对所有的文件系统采用统一的文件界面，用户通过文件的操作界面来实现对不同文件系统的操作。对于用户来说，我们不要去关心不同文件系统的具体操作过程，而只是对一个虚拟的文件操作界面来进行操作，这个操作界面就是 Linux 的虚拟文件系统(VFS ) 。形象地说，Linux 的内核好象一个 PC 机的母板，VFS 就是上面的一个插槽，具体的文件系统就是一块块的接 121 卡。因此，每一个文件系统之间互不干扰，而只是调用相应的程序来实现其功能。在 Linux 的内核文件中，VFS 和具体的文件系统程序都放在 Linux\\FS 中，其中每一种文件系统对应一个子目录，另外还有一些共用的 VFS 程序。在具体的实现上，每个文件系统都有自己的文件操作数据结构 file—operations。所以，VFS 作为 ILinux 内核中的一个软件层，用于给用户空间的程序提供文件系统接口，同时也提供了内核中的一个抽象功能，允许不同的文件系统很好地共存。VFS 使 Linux 同时安装、支持许多不同类型的文件系统成为可能。VFS 拥有关于各种特殊文件系统的公共界面，如超级块、inode、文件操作函数入口等。实际文件系统的细节，统一由 VFS 的公共界面来索引，它们对系统核心和用户进程来说是透明的。虚拟文件系统功能 VFS的功能包括：纪录可用的文件系统的类型；将设备同对应的文件系统联系起来；处理一些面向文件的通用操作；涉及到针对文件系统的操作时，VFS把它们影射到与控制文件、目录以及inode相关的物理文件系统。当某个进程发布了一个面向文件的系统调用时，核心将调用VFS中相应的函数，这个函数处理一些与物理结构无关的操作，并且把它重定向为真实文件系统中相应的函数调用，后者则用来处理那些与物理结构相关的操作。 VFS与实际文件系统的封装关系如下图所示： VFS MINIX FS VFSinode缓存 VFS目录缓存 EXT FS EXT2 FS MSDS FS 缓冲存储 I/O设备驱动图4 VFS与实际文件系统的封装关系 VFS的源代码集中在/usr/src/linux/fs目录下，关于它的数据结构的描述在文件/usr/src/lunux/include/linux/fs.h中。虚拟文件系统超级块 VFS使用了与EXT2文件系统类似的方式：超级块和索引节点inode描述文件系统。 VFS超级块是各种逻辑文件系统在安装时建立的，并在这些文件系统卸载时自动删除，它只存在于内存中。VFS中保存了系统中挂接的文件系统的链表以及这些文件系统对应的VFS超级块。系统启动后所有被初始化的文件系统都要向VFS登记。每个已安装的文件系统由一个VFS 超块表示它包含如下信息： ⑴Device：表示文件系统所在块设备的设备标志符。例如系统中第一个IDE 硬盘的设备标志符为0x301。 ⑵Inode pointers：这个mounted inode指针指向文件系统中第一个inode。而covered inode指针指向此文件系统安装目录的inode。根文件系统的VFS超块不包含covered指针。 ⑶Blocksize：以字节记数的文件系统块大小，如1024 字节。 ⑷Superblock operations：指向此文件系统一组超块操纵例程的指针。这些例程被VFS 用来读写inode和超块。 ⑸File System type：这是一个指向已安装文件系统的file_system_type结构的指针。 ⑹File System specific：指向文件系统所需信息的指针。 The VFS Inode 和EXT2 文件系统相同，VFS 中的每个文件、目录等都用且只用一个VFS inode表示。每个VFS inode 中的信息通过文件系统相关例程从底层文件系统中得到。VFS inode仅存在于核心内存并且保存只要对系统有用，它们就会被保存在在VFS inode cache中。每个VFS inode包含下列域： ⑴device：包含此文件或此VFS inode 代表的任何东西的设备的设备标志符。 ⑵inode number：文件系统中唯一的inode号。在虚拟文件系统中device和inode号的组合是唯一的。 ⑶mode：和EXT2 中的相同, 表示此VFS inode 的存取权限。 ⑷user ids：所有者的标志符。 ⑸times：VFS inode 创建、修改和写入时间。 ⑹block size：以字节计算的文件块大小，如1024 字节。 ⑺inode operations：指向一组例程地址的指针。这些例程和文件系统相关且对此inode 执行操作，如截断此inode表示的文件。 ⑻count：使用此VFS inode 的系统部件数。一个count为0 的inode可以被自由的丢弃或重新使用。 ⑼lock：用来对某个VFS inode加锁，如用于读取文件系统时。 ⑽dirty：表示这个VFS inode是否已经被写过，如果是则底层文件系统需要更新。注册文件系统用户可以通过两种途径向内核注册文件系统：一是在编译内核时确定可支持的文件系统类型，并在系统初始化时通过内嵌的函数调用在VFS中进行注册；二是把某个文件系统当作一个模块，利用模块的加载和卸载特征向注册表登记类型或从注册表注销。文件系统类型的注册函数为：int register filesystem (struct file_system_type fs) 每个文件系统都有一个初始化例程，文件系统通过它在VFS中进行注册，即填写file_system_type数据结构。该结构包含了文件系统的名称及一个指向对应VFS超级块读取例程的地址。所有已注册文件系统的file_system_type结构形成了一个注册链表，如下图所示： file_system_type file_system_type file_system_type read_super() name owner kem_mnt next read_super() name owner kem_mnt next read_super() name owner kem_mnt next 图5 file_system_type的数据结构在include/linux/fs.h中定义如下： struct file_system_type { const char name; //文件系统的类型名，如EXT2。这些名称出现在Linux中的/proc/filesystems中且必须是唯一的。 int fs_flags; //fs_flags的取值可能有很多种。例如，文件系统标识FS_REQUIRES_DEV表示文件系统只能加载在一个块设备上；FS_SINGLE表示文件系统只能有一个超级块；FS_NOMOUNT表示文件系统不能安装在用户空间上。 struct super_block (read_super) (struct super_block , void , int); //read_super所指的函数用于读出该文件系统在外存的超级块。 struct module owner; //如果实现该文件系统的程序段是由module动态载入的，则指向该module；如果实现该文件系统的程序段是在内核编译时生成的，则owner = NULL。 struct vfsmount * kem_mnt; //只为标识为FS_SINGLE的文件系统使用(For kernel mount) struct file_system_type * next; //文件系统类型链表的后续指针。 }; 安装文件系统文件系统注册后便在设备上按一定格式建立文件系统，但是此时设备上的文件和节点都还不是可访问的，还不能按照一定的路径名访问其中特定的节点或文件。只有把它安装到文件系统中某个节点上，才能使设备上的文件和节点可被访问。因此注册了wej系统只代表Linux系统支持这种文件系统的应用，要真正使用该文件系统还必须安装它。文件系统的安装必须调用mount命令，把其他子系统安装到已经存在于文件系统的空闲节点上。该命令使用系统的mount()调用：asmlinkage ling sys_mount(char * dev_name, char * dir_name, char * type, unsigned long flags, void * data) 其中dev_name是要安装的文件系统的磁盘分区的路径名，如/dev/hda5。参数dir_name是要安装的文件系统的目录名；type指定磁盘分区上的文件系统类型；flags指定该文件系统如何被安装；data是指向任意的信息结构的指针，其内容依赖于被安装的特定文件系统类型。使用mount命令后，VFS通过file_systems在file_system_type链表中根据指定的文件系统名称搜索文件系统类型信息。而函数get_fs_type()根据具体文件系统的类型名在内核中找到相应的file_system_type结构: struct file_system_type get_fs_type(const char name) { struct file_system_type fs; read_lock(&file_systems_lock); fs = (find_filesystem(name)); if (!fs && (request_module(name) == 0)) { read_lock(&file_systems_lock); fs = *(find_filesystem(name)); if (fs && !try_inc_mod_count(fs->owner)) fs = NULL; read_unlock(&file_systems_lock); } return fs; } 其中函数find_filesystem(name)扫描file_system对列，找到所需文件系统类型的数据结构。卸载文件系统超级用户卸载文件系统使用umount命令。卸载过程必须检查文件系统及其超级块的状态。如果文件系统正被其他进程使用该文件系统就不能被卸载。如果文件系统的文件或目录正在使用，则VFS索引节点缓存中可能包含相应的VFS索引节点。检查代码在该缓存中，根据文件系统所在的设备标识符查找是否有来自该文件系统的VFS索引节点。如果有且使用计数大于0则说明该文件系统正在使用，不能被删除。如果文件系统的超级块为“脏”，即被修改，则应先将它写回到磁盘上。文件系统允许在被删除后，对应的VFS超级块被释放，vfsmount数据结构从vfsmntlist链表中断开并被释放。
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