圖 1. Linux 文件系統組件的體系結構
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用戶空間包含一些應用程序（例如，文件系統的使用者）和 GNU C 庫（glibc），它們為文件系統調用（打開、讀取、寫和關閉）提供用戶接口。系統調用接口的作用就像是交換器，它將系統調用從用戶空間發送到內核空間中的適當端點。

VFS 是底層文件系統的主要接口。這個組件導出一組接口，然后將它們抽象到各個文件系統，各個文件系統的行為可能差異很大。有兩個針對文件系統對象的緩存（inode 和 dentry）。它們緩存最近使用過的文件系統對象。

每個文件系統實現（比如 ext2、JFS 等等）導出一組通用接口，供 VFS 使用。緩沖區緩存會緩存文件系統和相關塊設備之間的請求。例如，對底層設備驅動程序的讀寫請求會通過緩沖區緩存來傳遞。這就允許在其中緩存請求，減少訪問物理設備的次數，加快訪問速度。以最近使用（LRU）列表的形式管理緩沖區緩存。注意，可以使用?sync?命令將緩沖區緩存中的請求發送到存儲媒體（迫使所有未寫的數據發送到設備驅動程序，進而發送到存儲設備）。

什么是塊設備？ 塊設備就是以塊（比如磁盤扇區）為單位收發數據的設備，它們支持緩沖和隨機訪問（不必順序讀取塊，而是可以在任何時候訪問任何塊）等特性。塊設備包括硬盤、CD-ROM 和 RAM 盤。與塊設備相對的是字符設備，字符設備沒有可以進行物理尋址的媒體。字符設備包括串行端口和磁帶設備，只能逐字符地讀取這些設備中的數據。

這就是 VFS 和文件系統組件的高層情況。現在，討論實現這個子系統的主要結構。

主要結構

Linux 以一組通用對象的角度看待所有文件系統。這些對象是超級塊（superblock）、inode、dentry 和文件。超級塊在每個文件系統的根上，超級塊描述和維護文件系統的狀態。文件系統中管理的每個對象（文件或目錄）在 Linux 中表示為一個 inode。inode 包含管理文件系統中的對象所需的所有元數據（包括可以在對象上執行的操作）。另一組結構稱為 dentry，它們用來實現名稱和 inode 之間的映射，有一個目錄緩存用來保存最近使用的 dentry。dentry 還維護目錄和文件之間的關系，從而支持在文件系統中移動。最后，VFS 文件表示一個打開的文件（保存打開的文件的狀態，比如寫偏移量等等）。

虛擬文件系統層

VFS 作為文件系統接口的根層。VFS 記錄當前支持的文件系統以及當前掛裝的文件系統。

可以使用一組注冊函數在 Linux 中動態地添加或刪除文件系統。內核保存當前支持的文件系統的列表，可以通過 /proc 文件系統在用戶空間中查看這個列表。這個虛擬文件還顯示當前與這些文件系統相關聯的設備。在 Linux 中添加新文件系統的方法是調用?register_filesystem。這個函數的參數定義一個文件系統結構（file_system_type）的引用，這個結構定義文件系統的名稱、一組屬性和兩個超級塊函數。也可以注銷文件系統。

在注冊新的文件系統時，會把這個文件系統和它的相關信息添加到 file_systems 列表中（見圖 2 和 linux/include/linux/mount.h）。這個列表定義可以支持的文件系統。在命令行上輸入?cat /proc/filesystems，就可以查看這個列表。

圖 2. 向內核注冊的文件系統
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VFS 中維護的另一個結構是掛裝的文件系統（見圖 3）。這個結構提供當前掛裝的文件系統（見 linux/include/linux/fs.h）。它鏈接下面討論的超級塊結構。

圖 3. 掛裝的文件系統列表?
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超級塊

超級塊結構表示一個文件系統。它包含管理文件系統所需的信息，包括文件系統名稱（比如 ext2）、文件系統的大小和狀態、塊設備的引用和元數據信息（比如空閑列表等等）。超級塊通常存儲在存儲媒體上，但是如果超級塊不存在，也可以實時創建它。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到超級塊結構（見圖 4）。

圖 4. 超級塊結構和 inode 操作?
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超級塊中的一個重要元素是超級塊操作的定義。這個結構定義一組用來管理這個文件系統中的 inode 的函數。例如，可以用?alloc_inode?分配 inode，用?destroy_inode?刪除 inode。可以用?read_inode?和write_inode?讀寫 inode，用?sync_fs?執行文件系統同步。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到?super_operations?結構。每個文件系統提供自己的 inode 方法，這些方法實現操作并向 VFS 層提供通用的抽象。

inode 和 dentry

inode 表示文件系統中的一個對象，它具有惟一標識符。各個文件系統提供將文件名映射為惟一 inode 標識符和 inode 引用的方法。圖 5 顯示 inode 結構的一部分以及兩個相關結構。請特別注意inode_operations?和?file_operations。這些結構表示可以在這個 inode 上執行的操作。inode_operations?定義直接在 inode 上執行的操作，而?file_operations?定義與文件和目錄相關的方法（標準系統調用）。

圖 5. inode 結構和相關聯的操作?
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inode 和目錄緩存分別保存最近使用的 inode 和 dentry。注意，對于 inode 緩存中的每個 inode，在目錄緩存中都有一個對應的 dentry。可以在 ./linux/include/linux/fs.h 中找到?inode?和?dentry?結構。

緩沖區緩存

除了各個文件系統實現（可以在 ./linux/fs 中找到）之外，文件系統層的底部是緩沖區緩存。這個組件跟蹤來自文件系統實現和物理設備（通過設備驅動程序）的讀寫請求。為了提高效率，Linux 對請求進行緩存，避免將所有請求發送到物理設備。緩存中緩存最近使用的緩沖區（頁面），這些緩沖區可以快速提供給各個文件系統。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux文件系统体系结构 和 虚拟文件系统(VFS)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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