Linux虚拟文件系统VFS的相关数据结构和操作

最近看到几篇介绍VFS的韩语文章，觉得里面的众多绘图清晰易懂，冒昧将其摘选出来，分享给大家，希望大家可以从更多的角度去理解和认识VFS的构成和原理。原文地址位于 https://m.blog.naver.com/eldkrpdla121/220706907723，对应PPT链接在Ch 12 Virtual File System (VFS)。

《Linux文件系统概述：硬盘驱动＞通用块设备层＞文件系统＞虚拟文件系统(VFS)》

《Linux内核：一文读懂文件系统、缓冲区高速缓存和块设备、超级块》

《Linux虚拟文件系统概述》

正文

VFS的基本接口大家应该都比较熟悉了，比如open(), read(), write(), 而要知道这些基本操作的内核实现，得首先了解下构成VFS子系统的基础数据结构。

superblock和inode都位于磁盘，它们分别是「文件系统」和「单个文件」的control block（称为"meta data"），同时inode还记录了文件在磁盘上的data block的分布（即"user data"）。

【进程和文件】

当进程试图访问磁盘上的一个文件时（比如执行open系统调用），需要将该文件的磁盘inode中的一部分信息拷贝到内存中，这部分内容进而构成了内存中的"struct inode"结构体。

之后，通过这个内存中的inode对象，就可以获取到所需访问的文件的内容。

那如果有多个进程访问磁盘上的同一个文件呢？

这就引出了另一重要的结构体"struct file"，"inode"对应磁盘上的文件实体，是全局的，而"file"记录的是进程和文件之间的关联，比如访问文件的位置（即"offset"），因而是进程私有的。

有了这一关联，进程就可以通过file table，访问到文件的meta data，进而获取到文件的user data，实现对数据的读写等操作（比如read和write系统调用）。

在描述进程的"task_struct"结构体中，由"files"域指向其打开文件的文件描述符表，由"fs"域指向其执行操作所在的目录和文件系统挂载点等相关信息。

【快速访问】

假设现在一个进程要在"/a/b/c/d/"目录下新建一个名称为"e"的文件，那么路径查找的过程大致如下：

在VFS的概念里，「目录」被视作一种特殊的文件，也具有对应的inode对象。因而在整个查找过程中，需要将多达6个inode的内容拷贝到内存。

如果能将之前获取的“路径结果”信息暂存起来（以dentry cache的形式），将大大加快路径访问的速度。

【小结】

可见，在构成VFS基石的四个数据结构中，"superblock"和"inode"是本就驻留在磁盘上（使用时会将其部分信息拷贝到内存中），而"file"和"dentry"则是为了文件访问的需要，在内存中诞生的，并不对应磁盘上的任何实体。

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《Linux文件系统-虚拟文件系统（VFS），与文件系统相关的数据结构》韩文