Linux VFS 抽象层全解析：统一接口的力量

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🔧 Linux VFS 抽象层全解析：统一接口的力量

📌 为什么要深入理解 VFS 抽象层？

Linux 支持众多文件系统，如 ext4、tmpfs、procfs 等，VFS（虚拟文件系统）则是内核的统一接口抽象层。

核心目的：屏蔽底层文件系统差异，提供统一访问接口。

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🧱 一、VFS 在 Linux 文件系统中的位置

Linux 文件系统子系统
├── 应用层接口：open()/read() 等系统调用
├── VFS 抽象层：file/inode/dentry/super_block 等核心结构体
└── 文件系统实现层：ext4、tmpfs、procfs 等具体文件系统

VFS 的关键结构体及作用：

结构体	核心作用
file	表示打开文件的操作会话，包含读写位置、权限
inode	表示文件实体的元数据，如权限、大小、时间戳
dentry	表示目录项缓存，加速路径名解析
super_block	表示一个文件系统的挂载实例，维护全局状态

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📖 二、核心结构体深入讲解

✅ file 结构体

struct file {
    const struct file_operations *f_op; // 文件操作接口
    struct dentry *f_path;              // 路径信息
    loff_t f_pos;                       // 读写偏移
    ...
};

✅ inode 结构体

struct inode {
    umode_t i_mode;               // 文件类型与权限
    struct file_operations *i_fop; // 默认操作函数集
    struct super_block *i_sb;     // 所属的 super_block
    ...
};

✅ dentry 结构体

struct dentry {
    struct inode *d_inode;         // 对应的 inode
    struct qstr d_name;            // 当前目录项名
    struct dentry *d_parent;       // 父目录项
    ...
};

✅ 详细讲解 super_block 结构体

super_block 是文件系统挂载时核心的全局信息结构，记录文件系统的整体状态。

struct super_block {
    struct file_system_type *s_type;   // 文件系统类型（如ext4、tmpfs）
    struct dentry *s_root;             // 文件系统根目录的目录项
    struct inode *s_inodes;            // inode链表头，管理所有inode
    struct list_head s_mounts;         // 连接所有挂载点
    unsigned long s_flags;             // 挂载标志，如只读、读写等
    struct super_operations *s_op;     // 超级块操作方法（如读取inode、清理）
    void *s_fs_info;                   // 文件系统私有信息（不同文件系统专用数据）
    ...
};

🔍 super_block 各字段的详细说明：

• s_type：标记文件系统类型，如 ext4 或 tmpfs。
• s_root：文件系统根目录的 dentry（目录项）结构。
• s_inodes：链接管理该文件系统中所有 inode，便于统一管理。
• s_mounts：管理多个挂载点实例，便于快速定位和维护挂载状态。
• s_flags：挂载属性标记，例如只读（RO）或读写（RW）等。
• s_op：管理超级块的方法集，例如 inode 的创建、删除、同步和清理操作。
• s_fs_info：不同文件系统专有信息，例如 ext4 的 journal 日志数据结构。

🚩 super_block 在挂载过程中的作用示例：

// 以ext4文件系统为例
static struct file_system_type ext4_fs_type = {
    .name = "ext4",
    .mount = ext4_mount,
    .kill_sb = kill_block_super,
};

static struct dentry *ext4_mount(struct file_system_type *fs_type, int flags,
                                 const char *dev_name, void *data)
{
    return mount_bdev(fs_type, flags, dev_name, data, ext4_fill_super);
}

// ext4_fill_super 的实现示例
static int ext4_fill_super(struct super_block *sb, void *data, int silent)
{
    struct inode *root_inode;
    ...
    root_inode = ext4_iget(sb, EXT4_ROOT_INO);
    sb->s_root = d_make_root(root_inode);
    ...
    sb->s_fs_info = ext4_fs_info_alloc(); //分配ext4专有数据
    sb->s_op = &ext4_super_ops;           //设置操作函数集
    ...
}

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🚦 三、挂载流程图示（以 ext4 为例）

mount("ext4", "/mnt", "ext4", ...)  
→ do_mount() 
→ vfs_kern_mount() 
→ ext4_mount()
→ ext4_fill_super()
→ 设置super_block, dentry, inode等

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🔗 四、系统调用如何经过 VFS

以 open 为例：

sys_open()
→ do_sys_open()
→ vfs_open()
→ dentry_open()
→ file->f_op->open()

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📚 五、推荐演示示例：使用 debugfs

static struct dentry *dir;
static u32 debug_val;

static int __init debug_init(void) {
    dir = debugfs_create_dir("demo", NULL);
    debugfs_create_u32("value", 0644, dir, &debug_val);
    return 0;
}
module_init(debug_init);

访问路径：/sys/kernel/debug/demo/value

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🎯 六、总结

模块	建议
视频制作	详细解释super_block的作用与流程
博文撰写	深入解释核心结构与挂载流程
面试答题	熟悉三层架构与核心结构体关系

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🎥 更多详细讲解访问 B 站视频：Linux 文件系统子系统：三层架构全面掌握