Linux 文件系统解析（一）VFS

“一切皆文件”，刚接触Linux就听到的一个概念 ，体现了Linux的设计哲学，将一切软硬件资源都抽象为文件，使得用户可以用同样的api操作几乎所有系统资源，对应用开发带来了极大的便利，也给底层驱动的实现制定了统一的接口框架。“文件”这一概念在Linux中被重新定义，不再仅是代表磁盘上的一段数据，同时也是和系统交互的入口。在Linux中文件系统负责组织管理这些文件，还需要提供文件操作的各类接口，其概念再也不只是一种组织磁盘数据的方式，还包含了复杂的框架及策略。“文件系统”在Linux中的作用是什么？提供了哪些功能？这一系列尝试基于Linux5.x来梳理一下吧。

概述

要搞清文件系统在Linux中包含哪些功能，我的思路是直接从源码出发，看看fs/目录下到底有哪些代码，既然内核设计者将这些功能归为fs必有其道理，梳理了下其大致结构如下：

 fs/中还有很大部分代码是关于IO模式的，图中未包含。总结一下文件系统在Linux内包含的功能，主要分四部分，这一系列也按此来分别讨论：

• vfs: 文件系统中各组件的抽象，相互作用关系，提供哪些操作。
• fs实现：Linux支持哪里类型的文件系统，一个文件系统需要实现哪些接口。
• cache：如何与memory子系统一起管理cache，提升IO性能。
• IO模式：针对应用程序不同的IO需求，提供哪些IO模式。

VFS

Linux文件系统的高明之处在于其强大的可扩展性及兼容性，文件系统驱动以模块的形式集成在内核中，使得各文件系统的维护与扩展十分便利。系统运行时，Linux使多种文件系统和谐共存，用户可自由地将不同磁盘或分区挂载在目录树的任何地方，之后即可使用统一接口透明的对各个文件系统进行操作，无需考虑底层差异。为了实现这种效果VFS起到了关键作用，VFS层使用了面向对象的设计方式，对文件系统进行抽象，使得任意一个文件系统都可以用固定的对象进行描述。文件系统驱动根据VFS框架实现相关方法，在用户进行操作时VFS再根据操作的文件系统类型使用不同方法完成底层处理。

VFS四个主要对象

super_block

描述一个已经挂载的文件系统，包含设备名，分区大小，blocksize等基础数据，superblock方法集合，所包含的inode链表等。superblock包含的信息众多，与磁盘上的实际数据对应，常作为入参被内外部接口引用，对它的更新也会适时同步到磁盘上。

struct super_block {
	struct list_head	s_list;		/* Keep this first */    //sb链表指针
    ...
    struct file_system_type	*s_type;        //文件系统类
	const struct super_operations	*s_op;    //sb方法集合
    ...
	struct dentry		*s_root;    //根目录dentry
    ...
    struct hlist_node	s_instances;    //在s_type->fs_supers链表中的索引节点
    ...
	/*
	 * Keep s_fs_info, s_time_gran, s_fsnotify_mask, and
	 * s_fsnotify_marks together for cache efficiency. They are frequently
	 * accessed and rarely modified.
	 */
	void			*s_fs_info;	/* Filesystem private info */    //各文件系统包含的信息不一样，留给驱动保存数据用
    ...
	/*
	 * The list_lru structure is essentially just a pointer to a table
	 * of per-node lru lists, each of which has its own spinlock.
	 * There is no need to put them into separate cachelines.
	 */
	struct list_lru		s_dentry_lru;    //dentry lru索引节点
	struct list_lru		s_inode_lru;    //inode lru索引节点
    ...
	/* s_inode_list_lock protects s_inodes */
	spinlock_t		s_inode_list_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
	struct list_head	s_inodes;	/* all inodes */    //包含的所有inode链表
    ...
}

 superblock实现的方法主要是对in