VFS

VFS

VFS抽象数据结构

- 超级块(superblock): 存放文件系统控制信息

- 索引节点(inode):    存放具体文件的一般信息，用来标识存储介质上的文件

- 文件(file):         存放已打开的文件和进程之间交互的信息

- 目录项(dentry):     存放文件的名称和文件的路径

其他重要数据结构包括

- file_system_type: 　用来描述不同的文件系统

- vfsmount: 　　　　　描述系统中已经挂载的文件系统信息，用于对超级块和inode进行跟踪

 

superblock的主要数据结构

域	作用
s_list	指向下一个superblock，所有的superblock组成一个链表，头指针保存在super_blocks变量中
s_fs_info	指向特定文件系统的superblock信息，比如ext2，这个指针指向ext2_sb_info结构
s_dirt	因为superblock既存在于内存中也存在于磁盘中，所以需要这个标记标示内存中的数据是否和磁盘中的同步
s_root	文件系统根目录的dentry，表示这个文件系统的mount点
s_inodes	指向所有inodes组成的链表的头指针
s_files	指向所有file对象组成的链表的头指针
s_op	超级块操作函数集，struct super_operations类型，包括alloc_inode,destroy_inode,put_super等函数，用来管理这个文件系统中的 inode 的函数

inode的主要数据结构

域	作用
i_dentry	指向本inode的所有dentry对象组成的链表的头指针
i_ino	指向特定文件系统的superblock信息，比如ext2，这个指针指向ext2_sb_info结构
i_nlink	inode的硬连接引用计数
i_count	进程对inode的引用计数
i_uid/i_gid	所属用户/组的id
i_atime	inode访问时间,类型域有i_mtime和i_ctime
i_mode	inode的权限
i_size	文件大小(单位:字节)
i_data	数据地址索引，struct address_space结构类型
i_mapping	内存索引页面，struct address_space结构类型指针，指向i_data(?)
i_blocks	所占的block数
i_bytes	最后一个block使用了的字节数
i_sb_list	指向super_block中s_inodes链表中本inode的下一个inode
i_op	索引节点操作函数集，inode_operations类型，定义直接在 inode 上执行的操作
i_cdev/i_pipe/i_bdev	非特殊文件时，inode所存储的设备
i_rdev	非特殊文件时，所存储设备的设备号

dentry的主要数据结构

域	作用
d_name	文件名
d_inode	指向的inode
d_parent	父目录的dentry对象
d_count	目录项对象使用计数器
d_child	对于目录来说，和本dentry相同父目录的目录dentry对象链表的头指针
d_subdirs	对于目录来说，当前dentry下的子目录dentry对象链表的头指
d_alias	指向相同inode的所有dentry对象构成的链表的头指针
d_op	目录项操作表，dentry_operations类型
d_sb	文件的超级块对象

file的主要数据结构

域	作用
f_dentry	指向当前file对象关联的dentry对象
f_vfsmnt
f_pos	文件指针
f_op	定义与文件和目录相关的方法（即标准系统调用POSIX标准文件I/O管理函数），file_operations结构类型

file_system_type的主要数据结构

域	作用
name	文件系统的名称
fs_flags	一些特殊标记，如FS_REQUIRES_DEV
mount	本文件系统的挂载方法，执行kern_mount函数时调用
kill_sb	卸载文件系统超级块的方法
next	file_system_type类型单项链表，指向其他文件系统，单链表的表头由全局变量file_systems表示
fs_supers	双向链表，指向本文件系统所支持的super_block

vfsmount的主要数据结构

域	作用
mnt_parent	上一层挂载点
mnt_mounts	子文件系统的链表头
mnt_child	指向 上一层挂载点mnt_mounts形成双链表 的兄弟结点
mnt_mountpoint	指向挂载点dentry结构的指针
mnt_root	指向本文件系统的根路径dentry
mnt_sb	指向文件系统超级块
mnt_flags	挂载选项，如MNT_NODEV,MNT_READONLY等
mnt_list	指向vfsmount结构所形成链表的头指针(?)

tip:通常，superblock, inode会保存至存储介质，而dentry ,file仅存在于内存中

inode的管理:Inode-cache hash表inode_hashtable索引节点缓存

dentry的管理:

我们知道，若干dentry描绘了一个树型的目录结构，这就是用户所看到的目录结构，每个dentry指向一个索引节点(inode)结构然而，这些dentry结构并不是常驻内存的，因为整个目录结构可能会非常大，以致于内存根本装不下。Linux的处理方式为:初始状态下，系统中只有代表根目录的dentry和它所指向的inode。当要打开一个文件，文件路径中对应的节点都是不存在的，根目录的dentry无法找到需要的子节点(它现在还没有子节点)，这时候就要通过inode->i_op中的lookup方法来寻找需要的inode的子节点，找到以后(此时inode已被载入内存)，再创建一个dentry与之关联上。
由这一过程可见，其实是先有inode再有dentry。inode本身是存在于文件系统的存储介质上的，而dentry则是在内存中生成的。dentry的存在加速了对inode的查询。

为了提高目录项对象的处理效率，加速对重复的路径的访问，引入dentry cache(简称dcache)，即目录项高速缓。它主要由两个数据结构组成： 
1、哈希链表dentry_hashtable：dcache中的所有dentry对象都通过d_hash指针域链到相应的dentry哈希链表中。 
2、未使用的dentry对象链表dentry_unused：dcache中所有处于unused状态和negative状态的dentry对象都通过其d_lru指针域链入dentry_unused链表(super_block->s_dentry_lru)中。该链表也称为LRU链表。

目录项高速缓存dcache是索引节点缓存icache的主控器(master)，即dcache中的dentry对象控制着icache中的inode对象的生命期转换。无论何时，只要一个目录项对象存在于dcache中(非negative状态)，则相应的inode就将总是存在，因为inode的引用计数i_count总是大于0。当dcache中的一个dentry被释放时，针对相应inode对象的iput()方法就会被调用。

为了保证内存的充分利用，在内存中生成的dentry将在无人使用时被释放。d_count字段记录了dentry的引用计数，引用为0时，dentry将被释放。
这里的释放dentry并不是直接销毁并回收，而是将dentry放入目录项高速缓的LRU链表中。当队列过大，或系统内存紧缺时，最近最少使用的一些dentry才真正被释放。

现总结如下 
当寻找一个文件路径时，对于其中经历的每一个节点，有三种情况: 
1, 对应的dentry引用计数尚未减为0，它们还在dentry树中，直接使用即可； 
2, 如果对应的dentry不在dentry树中，则试图从LRU队列去寻找。LRU队列中的dentry同时被散列到一个散列表中，以便查找。查找到需要的dentry后，这个dentry被从LRU队列中拿出来，重新添加到dentry树中； 
3, 如果对应的dentry在LRU队列中也找不到，则只好去文件系统的存储介质里面查找inode了。找到以后dentry被创建，并添加以dentry树中。

与vfs紧密相关的内核模块主要是进程 
涉及到四个重要的数据结构: 
    file, fs_struct, files_struct 和 namespace(nsproxy) 
fs_struct     用于表示进程与文件系统之间的结构关系,比如当前的工作目录,进程的根目录等等. 
files_struct  用于表示当前进程打开的文件表 
关于namespace可以去了解nsproxy 
在内核中用file来表示某个被打开的文件，通过在进程结构体(task_struct)中嵌入fs和files来管理文件 
Linux中,常常用文件描述符(file descriptor)来表示一个打开的文件,这个描述符的值往往是一个大于或等于0的整数. 
而这个整数,其实就是在files_struct中file数组fd_array的下标. 
对于所有打开的文件, 这些文件描述符会存储在fd_array的位图中

nameidata是搜索辅助结构体，用于在路径查找过程中记录中间信息和查找结果

下面介绍用户空间与文件系统交互的过程 
当进程通过open等系统调用打开一个文件路径时， 
内核通过nameidata在内核中保存结构体file来建立与该文件对应的dentry 和 inode关联， 
并返回一个标识该file的文件描述符fd，并建立其与(structfiles_struct)task_struct->files之间的关系供进程使用 
然后进程就可以通过操作该fd来对文件进行read write ioctl llseek等操作(vfs_xxx ==> file->f_op==> inode->i_op)

路径查找过程：
do_path_lookup来翻译VFS的路径名
user_path_parent
查找结果存放在一个临时变量nameidata(变量一般都缩写为nd)中　

下图展示了进程和文件之间的关系