理解 Linux 虚拟文件系统 VFS：一次读写的背后发生了什么？-优快云博客

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📁 理解 Linux 虚拟文件系统 VFS：一次读写的背后发生了什么？

🧠 开篇 5 个问题，你能答对几个？

用户空间调用 open()，内核是怎么知道你打开的是 ext4 还是 FAT32？
Linux 文件系统支持那么多种格式，却用一样的命令，这是如何做到的？
inode、dentry、file 这些结构具体代表什么？它们如何协作？
/proc、/sys 下的节点是怎么创建的？属于什么文件系统？
内核中哪些源文件、结构体、函数真正实现了 VFS 的逻辑？

一、什么是 VFS？不是伪文件系统！

✅ 正确认识术语

术语	专业定义	易混对象	正确认识
VFS（Virtual File System）	Linux 内核中的虚拟文件系统抽象层，负责统一接口、调度底层文件系统	`/proc`、`/sys` 等伪文件系统	❗VFS 是架构，不是文件系统
伪文件系统（pseudo file system）	没有真实存储设备的文件系统，常用于导出内核信息	procfs、sysfs、debugfs	是 VFS 的“用户”，不是 VFS 本身

🧾 VFS 是 Linux 的文件系统核心架构；伪文件系统是 VFS 框架下的一种具体实现类型。

二、VFS 的作用与架构图解

在这里插入图片描述

📌 核心作用：

统一处理 open() / read() / write() 系统调用
为 ext4、xfs、nfs、procfs 等各种文件系统提供共通接口
支持路径解析、挂载、inode 管理、缓存调度等核心逻辑

🎯 架构图（VFS 是桥梁）：

        用户空间应用层
       ┌────────────────────┐
       │  open(), read(), write() │
       └────────────────────┘
                    ↓
        ┌────────────────────┐
        │ VFS（Virtual File System） │  ← 抽象架构层
        └────────────────────┘
     ↙︎            ↓              ↘︎
 ext4驱动     NFS驱动       procfs驱动
    ↓              ↓              ↓
块设备       网络传输       内核信息导出

三、VFS 的核心数据结构与作用

结构体	文件位置	说明
`struct file`	`include/linux/fs.h`	表示一个打开的文件（对应用户态 `fd`）
`struct inode`	`include/linux/fs.h`	表示文件/目录元数据（大小、权限、类型）
`struct dentry`	`include/linux/dcache.h`	路径中的一个目录项节点，支持层级查找
`struct super_block`	`include/linux/fs.h`	表示一个挂载的文件系统的全局信息
`struct file_operations`	`include/linux/fs.h`	提供文件操作函数表（read/write/ioctl 等）
`struct inode_operations`	`include/linux/fs.h`	提供 inode 操作函数表（lookup/create 等）

四、一次 open() 的调用过程在内核中如何流转？

以用户调用 open("/mnt/data/test.txt") 为例：

用户空间
↓
sys_openat() → do_sys_open()          【fs/open.c】
↓
do_filp_open()                        【fs/namei.c】
↓
path_openat() → vfs_open()            【fs/namei.c】
↓
路径查找（namei → dentry/inode）    【fs/namei.c / fs/dcache.c】
↓
实际文件系统的 open() 被调用         【ext4/file.c 等】
↓
构造 file 结构，返回 fd              【fs/file_table.c】

✅ 所有通用逻辑由 VFS 实现，调用最终由注册的 file_operations 决定使用哪个底层文件系统。

五、VFS 相关源码结构划分（非常重要）

📁 核心目录 `/fs`：虚拟文件系统 + 各种具体文件系统

文件/目录	说明
`fs/open.c`	实现 open/close/creat 等系统调用
`fs/namei.c`	路径查找 namei 系统，处理 dentry + inode
`fs/file_table.c`	管理 `file` 结构的分配与释放
`fs/inode.c`	管理 inode 分配、缓存和引用计数
`fs/dcache.c`	管理 dentry 缓存（dcache）加速路径查找
`fs/super.c`	super_block 管理与挂载流程
`fs/filesystems.c`	所有 `file_system_type` 注册入口
`fs/ext4/`、`fs/fat/` 等	各种具体文件系统的实现

🎯 小结：核心 VFS 实现在 /fs/*.c，而具体文件系统实现是 /fs/xxx/ 子目录。

六、VFS 如何管理多个文件系统类型？

每个文件系统都注册一个结构体：

// 位置：fs/ext4/super.c
static struct file_system_type ext4_fs_type = {
    .name = "ext4",
    .mount = ext4_mount,
    .kill_sb = kill_block_super,
    .fs_flags = FS_REQUIRES_DEV,
};

注册接口：

register_filesystem(&ext4_fs_type);  // 注册到全局文件系统表

然后在挂载时，VFS 根据类型调用 mount() 函数创建 super_block，连接 dentry 树，建立根目录。

七、VFS 与驱动开发的连接点（以 debugfs 为例）

驱动开发中，我们经常通过以下接口向用户导出调试信息：

接口函数	所属文件系统	所在路径	用途
`proc_create()`	procfs	`fs/proc`	`/proc/my_driver`
`debugfs_create_file()`	debugfs	`fs/debugfs`	`/sys/kernel/debug/...`
`device_create_file()`	sysfs	`fs/sysfs`	`/sys/class/...`

这些伪文件系统本质上也是接入 VFS，通过实现标准接口挂接文件节点，最终由用户通过 cat、echo 等命令交互。

八、常见误区澄清

❌ 错误说法	✅ 正确理解
`/proc` 是虚拟文件系统 VFS	❌ `/proc` 是伪文件系统，VFS 是其上层架构
VFS 就是 Linux 的 ext4 系统	❌ ext4 是具体实现，VFS 是抽象中间层
`file` 就是打开的文件	❌ 是内核的结构体，用户看到的是 `fd`
驱动中的 `proc_create()` 和 VFS 无关	❌ 是通过 procfs 挂接到 VFS 架构的

🔚 回答开篇五个问题

问题	解答
1️⃣ open() 怎么知道是 ext4 还是 FAT？	通过挂载点的 `file_system_type`，由 VFS 查表调度到对应驱动
2️⃣ 为什么用一样的命令？	VFS 统一了 open/read/write 接口，屏蔽底层差异
3️⃣ inode、dentry、file 是什么？	分别表示文件元信息、路径节点、打开文件实例，是 VFS 的核心结构体
4️⃣ `/proc`、`/sys` 是怎么来的？	它们属于伪文件系统，通过 `procfs`、`sysfs` 接入 VFS
5️⃣ 内核中哪些源码负责这些操作？	`/fs/open.c`、`/fs/namei.c`、`/fs/dcache.c`、`/fs/file_table.c` 等实现核心调用流程

📘 推荐阅读路径

阶段	文件	说明
① 入门路径解析	`fs/namei.c`	关注 `do_filp_open()`、`path_openat()`
② 文件打开流程	`fs/open.c`	看 `sys_openat()` 系统调用入口
③ 缓存机制	`fs/dcache.c`、`fs/inode.c`	理解目录项与 inode 缓存逻辑
④ 文件系统挂载	`fs/super.c`	理解 `mount()`、`get_sb_nodev()` 等流程
⑤ file/inode 生命周期	`fs/file_table.c`	掌握分配与引用计数机制