Linux VFS与ext4的关系

Linux VFS与ext4的关系

ext4是一种支持日志操作的Linux文件系统。VFS定义了通用文件系统都支持的，概念上的接口。ext4文件系统只有支持并实现了这些接口，被注册到VFS后，VFS才可以识别ext4文件系统。

常见文件系统

ext2:Linux基本文件类型
ext3:ext2的增强版本
ext4:ext文件系统的第四个版本
ntfs：windows默认文件系统，功能非常强大
nfs：网络文件系统，适合Linux或UNIX机器间共享
swap：交换文件系统

VFS的架构

VFS（Virtual File System）虚拟文件系统，也称为虚拟文件系统开关（Virtual Filesystem Switch）。VFS存在于内存中，用于实现各种文件系统之间的统一接口。当Linux系统调用读写位于不同物理介质上的不同文件系统时，VFS为各类文件系统提供了一组通用的编程接口，用户可以使用这些接口来访问各种不同的文件系统，而无需关心底层文件系统的实现细节。

VFS是一个抽象层，其向上提供了统一的文件访问接口，而向下则兼容了各种不同类型的文件系统，如Ext2、Ext3、Ext4、XFS、windows家族的NTFS等常用的文件系统，还可以是目录、字符设备、块设备、 套接字、进程、线程、管道等伪文件系统和设备，如块设备，可以理解为在文件夹/dev下面的文件。

VFS部分对象介绍

以下是super block对象，inode对象，dentry对象，file对象的简单介绍。

Super block超级块

将物理相邻的若干个扇区称为一个块，文件系统中第一个块被称为超级块,用super_block结构体表示，存储文件系统的元信息，包括inode、block的总量、使用量、剩余量，安装权限文件系统类型、大小、区块数以及操作方法s_op等。

inode索引节点

保存的是元数据和记录block块位置的数据。元数据就是对文件属性的描述，例如文件大小、文件拥有者（owner）、文件属组（group）、文件权限、文件读取或修改的时间戳、link数量。

Linux内核访问文件都是通过inode。inode是唯一的，一个inode表示一个文件。当创建一个文件（包括目录）的时候，就给文件分配一个inode，方便用户识别文件。

dentry目录项

由于VFS经常执行目录相关的操作，比如切换到某个目录、路径名的查找等。为了提高查找性能，VFS引入了目录项dentry。dentry没有对应的磁盘描述，只存在于内存的dentry cache（目录项缓存）中。

不管是目录还是最终的文件，都是属于目录项，所有的目录项在一起构成一颗庞大的目录树。例如：打开一个文件/opt/data/a.txt，那么/、opt、data、a.txt都是一个目录项，VFS在查找的时候，根据一层一层的目录项找到对应的每个目录项的inode，那么沿着目录项进行操作就可以找到最终的文件。

file文件

文件对象是进程打开的文件在内存中的实例。由于多个进程可以同时打开和操作同一个文件，所以同一个文件，在内存中也存在多个对应的文件对象，但对应的索引节点和目录项是唯一的。

挂载具体原理

在挂载的过程中，最为重要的数据结构是vfsmount，它代表一个挂载点。其次是dentry和inode，这两个都是对文件的表示，且都会缓存在哈希表中以提高查找的效率。其中inode是对磁盘上文件的唯一表示，其中包含文件的元数据和文件数据(但不含文件名称)等内容，还包含关键操作的函数指针。比如对于文件读写和属性更改等操作接口都存在该结构体中。而dentry则是为了Linux内核中查找文件方便虚拟出来的一个数据结构，其中包含文件名称、子目录（如果存在的话）和关联的inode等信息。

所以文件系统的挂载过程，其实就是构建上述几个结构体的过程，特别是inode结构体的初始化。
以Ext4为例，在挂载的时候就会将其中的address_space、inode_operations和file_operations函数指针初始化为Ext4文件系统的函数。因此当对文件进行访问的时候，只要找到这个inode，就能知道是什么类型的文件系统。不同文件系统的差异其实就是inode中初始化的函数指针的差异。

操作系统怎么通过fd实现不同类型文件系统的访问

fd(file descriptor)，即文件描述符。所有的操作都是对文件进行操作，而对文件的操作是利用fd(file descriptor)来实现的。

在Linux操作系统中，文件的打开必须要与进程（或者线程）关联，也就是说一个打开的文件必须隶属于某个进程。在linux内核当中一个进程通过task_struct结构体描述，而打开的文件则用file结构体描述，打开文件的过程也就是对file结构体的初始化的过程。在打开文件的过程中会将inode部分关键信息填充到file中，特别是文件操作的函数指针。在task_struct中保存着一个file类型的数组，而用户态的文件描述符其实就是数组的下标。这样通过文件描述符就可以很容易到找到file，然后通过其中的函数指针访问数据。

ext4如何注册到VFS

ext4和VFS两者是怎么关联的

这里涉及如下几个处理流程：

1. 挂载，也就是具体文件系统（例如Ext4）的挂载
2. 打开文件，我们在访问一个文件之前首先要打开它（open）
3. 文件访问，进行文件的读写操作（read或write）

其中第1个流程其实是建立VFS和诸如Ext4文件系统的关联，这样当用户在后面打开某个文件的时候，VFS就知道应该调用那个文件系统的函数实现。

而第2个流程则是初始化文件系统必要的数据结构和操作函数（例如read和write等），为后面的具体操作做准备

ext4注册的步骤

1. 首先，在ext4文件系统上安装文件系统模块，这可以通过在Linux终端中运行modprobe ext4命令完成。
2. 安装完成后，需要执行mount命令，将ext4文件系统挂载到VFS，以便其他程序可以访问它。
3. 接下来，需要启动ext4文件系统，这可以通过在Linux终端中运行sudo mount -t ext4 /dev/<disk-name> /mnt/<mount-point>命令完成。
4. 最后，需要检查文件系统是否已成功注册到VFS，可以通过在Linux终端中运行df -h命令来查看。如果出现了ext4文件系统的信息，则表示已成功注册到VFS。

这些命令将ext4文件系统挂载到VFS，以便可以访问分区内的文件和文件夹。

open()函数怎么打开ext4上的某个文件

open函数原型如下：int open(const char *pathname,int flag); 其中pathname表示要打开的文件名，flag表示访问模式（如只读、只写或读写）。

当用户open一个文件时，首先，系统找到第一个参数（文件名pathname），根据dentry目录项找到对应的每个目录项的inode号；一个inode号对应一个文件。然后，通过inode号，在inode table中找到inode信息，最后在inode信息中找到文件数据所在的block，然后就可以处理文件内容了。