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2007 年 8 月 23 日

Linux 允許眾多不同的文件系統(tǒng)共存，并支持跨文件系統(tǒng)的文件操作，這是因?yàn)橛刑摂M文件系統(tǒng)的存在。虛擬文件系統(tǒng)，即VFS（Virtual File System）是 Linux 內(nèi)核中的一個(gè)軟件抽象層。它通過一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其方法向?qū)嶋H的文件系統(tǒng)如 ext2，vfat 提供接口機(jī)制。本文在簡要介紹 VFS 的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，以文件 I/O 為切入點(diǎn)深入 Linux 內(nèi)核源代碼，追蹤了 sys_open 和 sys_read 兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的代碼結(jié)構(gòu)，并在追蹤的過程中理清了跨文件系統(tǒng)的文件操作的基本原理和“一切皆是文件”的口號(hào)得以實(shí)現(xiàn)的根本。

1 引言

Linux 中允許眾多不同的文件系統(tǒng)共存，如 ext2, ext3, vfat 等。通過使用同一套文件 I/O 系統(tǒng) 調(diào)用即可對 Linux 中的任意文件進(jìn)行操作而無需考慮其所在的具體文件系統(tǒng)格式；更進(jìn)一步，對文件的 操作可以跨文件系統(tǒng)而執(zhí)行。如圖 1 所示，我們可以使用 cp 命令從 vfat 文件系統(tǒng)格式的硬盤拷貝數(shù)據(jù)到 ext3 文件系統(tǒng)格式的硬盤；而這樣的操作涉及到兩個(gè)不同的文件系統(tǒng)。

“一切皆是文件”是 Unix/Linux 的基本哲學(xué)之一。不僅普通的文件，目錄、字符設(shè)備、塊設(shè)備、 套接字等在 Unix/Linux 中都是以文件被對待；它們雖然類型不同，但是對其提供的卻是同一套操作界面。

而虛擬文件系統(tǒng)正是實(shí)現(xiàn)上述兩點(diǎn) Linux 特性的關(guān)鍵所在。虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System, 簡稱 VFS）， 是 Linux 內(nèi)核中的一個(gè)軟件層，用于給用戶空間的程序提供文件系統(tǒng)接口；同時(shí)，它也提供了內(nèi)核中的一個(gè) 抽象功能，允許不同的文件系統(tǒng)共存。系統(tǒng)中所有的文件系統(tǒng)不但依賴 VFS 共存，而且也依靠 VFS 協(xié)同工作。

為了能夠支持各種實(shí)際文件系統(tǒng)，VFS 定義了所有文件系統(tǒng)都支持的基本的、概念上的接口和數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)；同時(shí)實(shí)際文件系統(tǒng)也提供 VFS 所期望的抽象接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將自身的諸如文件、目錄等概念在形式 上與VFS的定義保持一致。換句話說，一個(gè)實(shí)際的文件系統(tǒng)想要被 Linux 支持，就必須提供一個(gè)符合VFS標(biāo)準(zhǔn) 的接口，才能與 VFS 協(xié)同工作。實(shí)際文件系統(tǒng)在統(tǒng)一的接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下隱藏了具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，所以在VFS 層和內(nèi)核的其他部分看來，所有文件系統(tǒng)都是相同的。圖3顯示了VFS在內(nèi)核中與實(shí)際的文件系統(tǒng)的協(xié)同關(guān)系。

我們已經(jīng)知道，正是由于在內(nèi)核中引入了VFS，跨文件系統(tǒng)的文件操作才能實(shí)現(xiàn)，“一切皆是文件” 的口號(hào)才能承諾。而為什么引入了VFS，就能實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)特性呢？在接下來，我們將以這樣的一個(gè)思路來切入 文章的正題：我們將先簡要介紹下用以描述VFS模型的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，總結(jié)出這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互間的關(guān)系；然后 選擇兩個(gè)具有代表性的文件I/O操作sys_open()和sys_read()來詳細(xì)說明內(nèi)核是如何借助VFS和具體的文件系統(tǒng)打 交道以實(shí)現(xiàn)跨文件系統(tǒng)的文件操作和承諾“一切皆是文件”的口號(hào)。

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2 VFS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1 一些基本概念

從本質(zhì)上講，文件系統(tǒng)是特殊的數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，它包含文件、目錄和相關(guān)的控制信息。為了描述 這個(gè)結(jié)構(gòu)，Linux引入了一些基本概念:

文件 一組在邏輯上具有完整意義的信息項(xiàng)的系列。在Linux中，除了普通文件，其他諸如目錄、設(shè)備、套接字等 也以文件被對待?？傊?，“一切皆文件”。

目錄 目錄好比一個(gè)文件夾，用來容納相關(guān)文件。因?yàn)槟夸浛梢园幽夸?，所以目錄是可以層層嵌套，形?文件路徑。在Linux中，目錄也是以一種特殊文件被對待的，所以用于文件的操作同樣也可以用在目錄上。

目錄項(xiàng) 在一個(gè)文件路徑中，路徑中的每一部分都被稱為目錄項(xiàng)；如路徑/home/source/helloworld.c中，目錄 /, home, source和文件 helloworld.c都是一個(gè)目錄項(xiàng)。

索引節(jié)點(diǎn) 用于存儲(chǔ)文件的元數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文件的元數(shù)據(jù)，也就是文件的相關(guān)信息，和文件本身是兩個(gè)不同 的概念。它包含的是諸如文件的大小、擁有者、創(chuàng)建時(shí)間、磁盤位置等和文件相關(guān)的信息。

超級塊 用于存儲(chǔ)文件系統(tǒng)的控制信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。描述文件系統(tǒng)的狀態(tài)、文件系統(tǒng)類型、大小、區(qū)塊數(shù)、索引節(jié) 點(diǎn)數(shù)等，存放于磁盤的特定扇區(qū)中。

如上的幾個(gè)概念在磁盤中的位置關(guān)系如圖4所示。

關(guān)于文件系統(tǒng)的三個(gè)易混淆的概念：

創(chuàng)建 以某種方式格式化磁盤的過程就是在其之上建立一個(gè)文件系統(tǒng)的過程。創(chuàng)建文現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)在磁盤的特定位置寫入 關(guān)于該文件系統(tǒng)的控制信息。

注冊 向內(nèi)核報(bào)到，聲明自己能被內(nèi)核支持。一般在編譯內(nèi)核的時(shí)侯注冊；也可以加載模塊的方式手動(dòng)注冊。注冊過程實(shí) 際上是將表示各實(shí)際文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct file_system_type 實(shí)例化。

安裝 也就是我們熟悉的mount操作，將文件系統(tǒng)加入到Linux的根文件系統(tǒng)的目錄樹結(jié)構(gòu)上；這樣文件系統(tǒng)才能被訪問。

2.2 VFS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

VFS依靠四個(gè)主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一些輔助的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述其結(jié)構(gòu)信息，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)得就像是對象； 每個(gè)主要對象中都包含由操作函數(shù)表構(gòu)成的操作對象，這些操作對象描述了內(nèi)核針對這幾個(gè)主要的對象可以進(jìn)行的操作。

2.2.1 超級塊對象

存儲(chǔ)一個(gè)已安裝的文件系統(tǒng)的控制信息，代表一個(gè)已安裝的文件系統(tǒng)；每次一個(gè)實(shí)際的文件系統(tǒng)被安裝時(shí)， 內(nèi)核會(huì)從磁盤的特定位置讀取一些控制信息來填充內(nèi)存中的超級塊對象。一個(gè)安裝實(shí)例和一個(gè)超級塊對象一一對應(yīng)。 超級塊通過其結(jié)構(gòu)中的一個(gè)域s_type記錄它所屬的文件系統(tǒng)類型。

根據(jù)第三部分追蹤源代碼的需要，以下是對該超級塊結(jié)構(gòu)的部分相關(guān)成員域的描述，（如下同）：

                    struct super_block { //超級塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)                    struct list_head s_list;                /*指向超級塊鏈表的指針*/                    ……                    struct file_system_type  *s_type;       /*文件系統(tǒng)類型*/                    struct super_operations  *s_op;         /*超級塊方法*/                    ……                    struct list_head         s_instances;   /*該類型文件系統(tǒng)*/                    ……                    };                    struct super_operations { //超級塊方法                    ……                    //該函數(shù)在給定的超級塊下創(chuàng)建并初始化一個(gè)新的索引節(jié)點(diǎn)對象                    struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);                    ……                    //該函數(shù)從磁盤上讀取索引節(jié)點(diǎn)，并動(dòng)態(tài)填充內(nèi)存中對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)對象的剩余部分                    void (*read_inode) (struct inode *);                    ……                    };                    

2.2.2 索引節(jié)點(diǎn)對象

索引節(jié)點(diǎn)對象存儲(chǔ)了文件的相關(guān)信息，代表了存儲(chǔ)設(shè)備上的一個(gè)實(shí)際的物理文件。當(dāng)一個(gè) 文件首次被訪問時(shí)，內(nèi)核會(huì)在內(nèi)存中組裝相應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)對象，以便向內(nèi)核提供對一個(gè)文件進(jìn)行操 作時(shí)所必需的全部信息；這些信息一部分存儲(chǔ)在磁盤特定位置，另外一部分是在加載時(shí)動(dòng)態(tài)填充的。

                    struct inode {//索引節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)                    ……                    struct inode_operations  *i_op;     /*索引節(jié)點(diǎn)操作表*/                    struct file_operations   *i_fop;	 /*該索引節(jié)點(diǎn)對應(yīng)文件的文件操作集*/                    struct super_block       *i_sb;     /*相關(guān)的超級塊*/                    ……                    };                    struct inode_operations { //索引節(jié)點(diǎn)方法                    ……                    //該函數(shù)為dentry對象所對應(yīng)的文件創(chuàng)建一個(gè)新的索引節(jié)點(diǎn)，主要是由open()系統(tǒng)調(diào)用來調(diào)用                    int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);                    //在特定目錄中尋找dentry對象所對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)                    struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);                    ……                    };                    

2.2.3 目錄項(xiàng)對象

引入目錄項(xiàng)的概念主要是出于方便查找文件的目的。一個(gè)路徑的各個(gè)組成部分，不管是目錄還是 普通的文件，都是一個(gè)目錄項(xiàng)對象。如，在路徑/home/source/test.c中，目錄 /, home, source和文件 test.c都對應(yīng)一個(gè)目錄項(xiàng)對象。不同于前面的兩個(gè)對象，目錄項(xiàng)對象沒有對應(yīng)的磁盤數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，VFS在遍 歷路徑名的過程中現(xiàn)場將它們逐個(gè)地解析成目錄項(xiàng)對象。

                    struct dentry {//目錄項(xiàng)結(jié)構(gòu)                    ……                    struct inode *d_inode;           /*相關(guān)的索引節(jié)點(diǎn)*/                    struct dentry *d_parent;         /*父目錄的目錄項(xiàng)對象*/                    struct qstr d_name;              /*目錄項(xiàng)的名字*/                    ……                    struct list_head d_subdirs;      /*子目錄*/                    ……                    struct dentry_operations *d_op;  /*目錄項(xiàng)操作表*/                    struct super_block *d_sb;        /*文件超級塊*/                    ……                    };                    struct dentry_operations {                    //判斷目錄項(xiàng)是否有效;                    int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);                    //為目錄項(xiàng)生成散列值;                    int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);                    ……                    };                    

2.2.4 文件對象

文件對象是已打開的文件在內(nèi)存中的表示，主要用于建立進(jìn)程和磁盤上的文件的對應(yīng)關(guān)系。它由sys_open() 現(xiàn)場創(chuàng)建，由sys_close()銷毀。文件對象和物理文件的關(guān)系有點(diǎn)像進(jìn)程和程序的關(guān)系一樣。當(dāng)我們站在用戶空間來看 待VFS，我們像是只需與文件對象打交道，而無須關(guān)心超級塊，索引節(jié)點(diǎn)或目錄項(xiàng)。因?yàn)槎鄠€(gè)進(jìn)程可以同時(shí)打開和操作 同一個(gè)文件，所以同一個(gè)文件也可能存在多個(gè)對應(yīng)的文件對象。文件對象僅僅在進(jìn)程觀點(diǎn)上代表已經(jīng)打開的文件，它 反過來指向目錄項(xiàng)對象（反過來指向索引節(jié)點(diǎn)）。一個(gè)文件對應(yīng)的文件對象可能不是惟一的，但是其對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)和 目錄項(xiàng)對象無疑是惟一的。

                    struct file {                    ……                    struct list_head        f_list;        /*文件對象鏈表*/                    struct dentry          *f_dentry;       /*相關(guān)目錄項(xiàng)對象*/                    struct vfsmount        *f_vfsmnt;       /*相關(guān)的安裝文件系統(tǒng)*/                    struct file_operations *f_op;           /*文件操作表*/                    ……                    };                    struct file_operations {                    ……                    //文件讀操作                    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);                    ……                    //文件寫操作                    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);                    ……                    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);                    ……                    //文件打開操作                    int (*open) (struct inode *, struct file *);                    ……                    };                    

2.2.5 其他VFS對象

2.2.5.1 和文件系統(tǒng)相關(guān)

根據(jù)文件系統(tǒng)所在的物理介質(zhì)和數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)上的組織方式來區(qū)分不同的文件系統(tǒng)類型的。 file_system_type結(jié)構(gòu)用于描述具體的文件系統(tǒng)的類型信息。被Linux支持的文件系統(tǒng)，都有且僅有一 個(gè)file_system_type結(jié)構(gòu)而不管它有零個(gè)或多個(gè)實(shí)例被安裝到系統(tǒng)中。

而與此對應(yīng)的是每當(dāng)一個(gè)文件系統(tǒng)被實(shí)際安裝，就有一個(gè)vfsmount結(jié)構(gòu)體被創(chuàng)建，這個(gè)結(jié)構(gòu)體對應(yīng)一個(gè)安裝點(diǎn)。

                    struct file_system_type {                    const char *name;                /*文件系統(tǒng)的名字*/                    struct subsystem subsys;         /*sysfs子系統(tǒng)對象*/                    int fs_flags;                    /*文件系統(tǒng)類型標(biāo)志*/                    /*在文件系統(tǒng)被安裝時(shí)，從磁盤中讀取超級塊,在內(nèi)存中組裝超級塊對象*/                    struct super_block *(*get_sb) (struct file_system_type*,                    int, const char*, void *);                    void (*kill_sb) (struct super_block *);  /*終止訪問超級塊*/                    struct module *owner;                    /*文件系統(tǒng)模塊*/                    struct file_system_type * next;          /*鏈表中的下一個(gè)文件系統(tǒng)類型*/                    struct list_head fs_supers;              /*具有同一種文件系統(tǒng)類型的超級塊對象鏈表*/                    };                    struct vfsmount                    {                    struct list_head mnt_hash;               /*散列表*/                    struct vfsmount *mnt_parent;             /*父文件系統(tǒng)*/                    struct dentry *mnt_mountpoint;           /*安裝點(diǎn)的目錄項(xiàng)對象*/                    struct dentry *mnt_root;                 /*該文件系統(tǒng)的根目錄項(xiàng)對象*/                    struct super_block *mnt_sb;              /*該文件系統(tǒng)的超級塊*/                    struct list_head mnt_mounts;             /*子文件系統(tǒng)鏈表*/                    struct list_head mnt_child;              /*子文件系統(tǒng)鏈表*/                    atomic_t mnt_count;                      /*使用計(jì)數(shù)*/                    int mnt_flags;                           /*安裝標(biāo)志*/                    char *mnt_devname;                       /*設(shè)備文件名*/                    struct list_head mnt_list;               /*描述符鏈表*/                    struct list_head mnt_fslink;             /*具體文件系統(tǒng)的到期列表*/                    struct namespace *mnt_namespace;         /*相關(guān)的名字空間*/                    };                    

2.2.5.2 和進(jìn)程相關(guān)

                    struct files_struct {//打開的文件集                    atomic_t count;              /*結(jié)構(gòu)的使用計(jì)數(shù)*/                    ……                    int max_fds;                 /*文件對象數(shù)的上限*/                    int max_fdset;               /*文件描述符的上限*/                    int next_fd;                 /*下一個(gè)文件描述符*/                    struct file ** fd;           /*全部文件對象數(shù)組*/                    ……                    };                    struct fs_struct {//建立進(jìn)程與文件系統(tǒng)的關(guān)系                    atomic_t count;              /*結(jié)構(gòu)的使用計(jì)數(shù)*/                    rwlock_t lock;               /*保護(hù)該結(jié)構(gòu)體的鎖*/                    int umask；                  /*默認(rèn)的文件訪問權(quán)限*/                    struct dentry * root;        /*根目錄的目錄項(xiàng)對象*/                    struct dentry * pwd;         /*當(dāng)前工作目錄的目錄項(xiàng)對象*/                    struct dentry * altroot；    /*可供選擇的根目錄的目錄項(xiàng)對象*/                    struct vfsmount * rootmnt;   /*根目錄的安裝點(diǎn)對象*/                    struct vfsmount * pwdmnt;    /*pwd的安裝點(diǎn)對象*/                    struct vfsmount * altrootmnt;/*可供選擇的根目錄的安裝點(diǎn)對象*/                    };                    

2.2.5.3 和路徑查找相關(guān)

                    struct nameidata {                    struct dentry  *dentry;     /*目錄項(xiàng)對象的地址*/                    struct vfsmount  *mnt;      /*安裝點(diǎn)的數(shù)據(jù)*/                    struct qstr  last;          /*路徑中的最后一個(gè)component*/                    unsigned int  flags;        /*查找標(biāo)識(shí)*/                    int  last_type;             /*路徑中的最后一個(gè)component的類型*/                    unsigned  depth;            /*當(dāng)前symbolic link的嵌套深度，不能大于6*/                    char   *saved_names[MAX_NESTED_LINKS + 1];/                    /*和嵌套symbolic link 相關(guān)的pathname*/                    union {                    struct open_intent open; /*說明文件該如何訪問*/                    } intent;   /*專用數(shù)據(jù)*/                    };                    

2.2.6 對象間的聯(lián)系

如上的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不是孤立存在的。正是通過它們的有機(jī)聯(lián)系，VFS才能正常工作。如下的幾張圖是對它們之間的聯(lián)系的描述。

如圖5所示，被Linux支持的文件系統(tǒng)，都有且僅有一個(gè)file_system_type結(jié)構(gòu)而不管它有零個(gè)或多個(gè)實(shí)例被安裝到系統(tǒng) 中。每安裝一個(gè)文件系統(tǒng)，就對應(yīng)有一個(gè)超級塊和安裝點(diǎn)。超級塊通過它的一個(gè)域s_type指向其對應(yīng)的具體的文件系統(tǒng)類型。具體的 文件系統(tǒng)通過file_system_type中的一個(gè)域fs_supers鏈接具有同一種文件類型的超級塊。同一種文件系統(tǒng)類型的超級塊通過域s_instances鏈 接。

從圖6可知：進(jìn)程通過task_struct中的一個(gè)域files_struct files來了解它當(dāng)前所打開的文件對象；而我們通常所說的文件 描述符其實(shí)是進(jìn)程打開的文件對象數(shù)組的索引值。文件對象通過域f_dentry找到它對應(yīng)的dentry對象，再由dentry對象的域d_inode找 到它對應(yīng)的索引結(jié)點(diǎn)，這樣就建立了文件對象與實(shí)際的物理文件的關(guān)聯(lián)。最后，還有一點(diǎn)很重要的是, 文件對象所對應(yīng)的文件操作函數(shù) 列表是通過索引結(jié)點(diǎn)的域i_fop得到的。圖6對第三部分源碼的理解起到很大的作用。

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3 基于VFS的文件I/O

到目前為止，文章主要都是從理論上來講述VFS的運(yùn)行機(jī)制；接下來我們將深入源代碼層中，通過闡述兩個(gè)具有代表性的系統(tǒng) 調(diào)用sys_open()和sys_read()來更好地理解VFS向具體文件系統(tǒng)提供的接口機(jī)制。由于本文更關(guān)注的是文件操作的整個(gè)流程體制，所以我 們在追蹤源代碼時(shí)，對一些細(xì)節(jié)性的處理不予關(guān)心。又由于篇幅所限，只列出相關(guān)代碼。本文中的源代碼來自于linux-2.6.17內(nèi)核版本。

在深入sys_open()和sys_read()之前，我們先概覽下調(diào)用sys_read()的上下文。圖7描述了從用戶空間的read()調(diào)用到數(shù)據(jù)從 磁盤讀出的整個(gè)流程。當(dāng)在用戶應(yīng)用程序調(diào)用文件I/O read()操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用sys_read()被激發(fā)，sys_read()找到文件所在的具體文件 系統(tǒng)，把控制權(quán)傳給該文件系統(tǒng)，最后由具體文件系統(tǒng)與物理介質(zhì)交互，從介質(zhì)中讀出數(shù)據(jù)。

3.1 sys_open()

sys_open()系統(tǒng)調(diào)用打開或創(chuàng)建一個(gè)文件，成功返回該文件的文件描述符。圖8是sys_open()實(shí)現(xiàn)代碼中主要的函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖。

由于sys_open()的代碼量大，函數(shù)調(diào)用關(guān)系復(fù)雜，以下主要是對該函數(shù)做整體的解析；而對其中的一些關(guān)鍵點(diǎn)，則列出其關(guān)鍵代碼。

a. 從sys_open()的函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖可以看到，sys_open()在做了一些簡單的參數(shù)檢驗(yàn)后，就把接力棒傳給do_sys_open()：

1）、首先，get_unused_fd()得到一個(gè)可用的文件描述符；通過該函數(shù)，可知文件描述符實(shí)質(zhì)是進(jìn)程打開文件列表中對應(yīng)某個(gè)文件對象的索引值；

2）、接著，do_filp_open()打開文件，返回一個(gè)file對象，代表由該進(jìn)程打開的一個(gè)文件；進(jìn)程通過這樣的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對物理文件進(jìn)行讀寫操作。

3）、最后，fd_install()建立文件描述符與file對象的聯(lián)系，以后進(jìn)程對文件的讀寫都是通過操縱該文件描述符而進(jìn)行。

b. do_filp_open()用于打開文件，返回一個(gè)file對象；而打開之前需要先找到該文件：

1）、open_namei()用于根據(jù)文件路徑名查找文件，借助一個(gè)持有路徑信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)nameidata而進(jìn)行；

2）、查找結(jié)束后將填充有路徑信息的nameidata返回給接下來的函數(shù)nameidata_to_filp()從而得到最終的file對象；當(dāng)達(dá)到目的后，nameidata這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將會(huì)馬上被釋放。

c.open_namei()用于查找一個(gè)文件：

1）、path_lookup_open()實(shí)現(xiàn)文件的查找功能；要打開的文件若不存在，還需要有一個(gè)新建的過程，則調(diào)用 path_lookup_create()，后者和前者封裝的是同一個(gè)實(shí)際的路徑查找函數(shù)，只是參數(shù)不一樣，使它們在處理細(xì)節(jié)上有所偏差；

2）、當(dāng)是以新建文件的方式打開文件時(shí)，即設(shè)置了O_CREAT標(biāo)識(shí)時(shí)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的索引節(jié)點(diǎn)，代表創(chuàng)建一個(gè)文件。在vfs_create()里的一句 核心語句dir->i_op->create(dir, dentry, mode, nd)可知它調(diào)用了具體的文件系統(tǒng)所提供的創(chuàng)建索引節(jié)點(diǎn)的方法。注意：這邊的索引節(jié)點(diǎn)的概念，還只是位于內(nèi)存之中，它和磁盤上的物理的索引節(jié)點(diǎn)的關(guān)系就像 位于內(nèi)存中和位于磁盤中的文件一樣。此時(shí)新建的索引節(jié)點(diǎn)還不能完全標(biāo)志一個(gè)物理文件的成功創(chuàng)建，只有當(dāng)把索引節(jié)點(diǎn)回寫到磁盤上才是一個(gè)物理文件的真正創(chuàng) 建。想想我們以新建的方式打開一個(gè)文件，對其讀寫但最終沒有保存而關(guān)閉，則位于內(nèi)存中的索引節(jié)點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷從新建到消失的過程，而磁盤卻始終不知道有人曾經(jīng)想 過創(chuàng)建一個(gè)文件，這是因?yàn)樗饕?jié)點(diǎn)沒有回寫的緣故。

3）、path_to_nameidata()填充nameidata數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

4）、may_open()檢查是否可以打開該文件；一些文件如鏈接文件和只有寫權(quán)限的目錄是不能被打開的，先檢查 nd->dentry->inode所指的文件是否是這一類文件，是的話則錯(cuò)誤返回。還有一些文件是不能以TRUNC的方式打開的，若 nd->dentry->inode所指的文件屬于這一類，則顯式地關(guān)閉TRUNC標(biāo)志位。接著如果有以TRUNC方式打開文件的，則更新 nd->dentry->inode的信息

3.1.1__path_lookup_intent_open()

不管是path_lookup_open()還是path_lookup_create()最終都是調(diào)用 __path_lookup_intent_open()來實(shí)現(xiàn)查找文件的功能。 查找時(shí)，在遍歷路徑的過程中，會(huì)逐層地將各個(gè)路徑組成部分解析成目錄項(xiàng)對象，如果此目錄項(xiàng)對象在目錄項(xiàng)緩存中，則直接從緩存中獲得；如果該目錄項(xiàng)在緩存中 不存在，則進(jìn)行一次實(shí)際的讀盤操作，從磁盤中讀取該目錄項(xiàng)所對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)。得到索引節(jié)點(diǎn)后，則建立索引節(jié)點(diǎn)與該目錄項(xiàng)的聯(lián)系。如此循環(huán)，直到最終找到目 標(biāo)文件對應(yīng)的目錄項(xiàng)，也就找到了索引節(jié)點(diǎn)，而由索引節(jié)點(diǎn)找到對應(yīng)的超級塊對象就可知道該文件所在的文件系統(tǒng)的類型。 從磁盤中讀取該目錄項(xiàng)所對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)；這將引發(fā)VFS和實(shí)際的文件系統(tǒng)的一次交互。從前面的VFS理論介紹可知，讀索引節(jié)點(diǎn)方法是由超級塊來提供的。而 當(dāng)安裝一個(gè)實(shí)際的文件系統(tǒng)時(shí)，在內(nèi)存中創(chuàng)建的超級塊的信息是由一個(gè)實(shí)際文件系統(tǒng)的相關(guān)信息來填充的，這里的相關(guān)信息就包括了實(shí)際文件系統(tǒng)所定義的超級塊的 操作函數(shù)列表，當(dāng)然也就包括了讀索引節(jié)點(diǎn)的具體執(zhí)行方式。 當(dāng)繼續(xù)追蹤一個(gè)實(shí)際文件系統(tǒng)ext3的ext3_read_inode()時(shí)，可發(fā)現(xiàn)這個(gè)函數(shù)很重要的一個(gè)工作就是為不同的文件類型設(shè)置不同的索引節(jié)點(diǎn)操 作函數(shù)表和文件操作函數(shù)表。

                    void ext3_read_inode(struct inode * inode)                    {                    ……                    //是普通文件                                    if (S_ISREG(inode->i_mode)) {                    inode->i_op = &ext3_file_inode_operations;                    inode->i_fop = &ext3_file_operations;                    ext3_set_aops(inode);                    } else if (S_ISDIR(inode->i_mode)) {                    //是目錄文件                              inode->i_op = &ext3_dir_inode_operations;                              inode->i_fop = &ext3_dir_operations;                           } else if (S_ISLNK(inode->i_mode)) {                              // 是連接文件                               ……                           } else {                               // 如果以上三種情況都排除了，則是設(shè)備驅(qū)動(dòng)                    //這里的設(shè)備還包括套結(jié)字、FIFO等偽設(shè)備                     ……                    }                    

3.1.2 nameidata_to_filp子函數(shù)：__dentry_open

這是VFS與實(shí)際的文件系統(tǒng)聯(lián)系的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。從3.1.1小節(jié)分析中可知，調(diào)用實(shí)際文件系統(tǒng)讀取索引節(jié)點(diǎn)的方法讀取索引節(jié)點(diǎn)時(shí)，實(shí)際文件系統(tǒng)會(huì)根據(jù)文件 的不同類型賦予索引節(jié)點(diǎn)不同的文件操作函數(shù)集，如普通文件有普通文件對應(yīng)的一套操作函數(shù)，設(shè)備文件有設(shè)備文件對應(yīng)的一套操作函數(shù)。這樣當(dāng)把對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn) 的文件操作函數(shù)集賦予文件對象，以后對該文件進(jìn)行操作時(shí)，比如讀操作，VFS雖然對各種不同文件都是執(zhí)行同一個(gè)read()操作界面，但是真正讀時(shí)，內(nèi)核 卻知道怎么區(qū)分對待不同的文件類型。

                    static struct file *__dentry_open(struct dentry *dentry, struct vfsmount *mnt,                    int flags, struct file *f,                    int (*open)(struct inode *, struct file *))                    {                    struct inode *inode;                    ……                    //整個(gè)函數(shù)的工作在于填充一個(gè)file對象                    ……                    f->f_mapping = inode->i_mapping;                    f->f_dentry = dentry;                    f->f_vfsmnt = mnt;                    f->f_pos = 0;                    //將對應(yīng)的索引節(jié)點(diǎn)的文件操作函數(shù)集賦予文件對象的操作列表                    f->f_op = fops_get(inode->i_fop);                     ……                    //若文件自己定義了open操作，則執(zhí)行這個(gè)特定的open操作。                    if (!open && f->f_op)                    open = f->f_op->open;                    if (open) {                    error = open(inode, f);                    if (error)                    goto cleanup_all;                    ……                    return f;                    }                    

3.2 sys_read()

sys_read()系統(tǒng)調(diào)用用于從已打開的文件讀取數(shù)據(jù)。如read成功，則返回讀到的字節(jié)數(shù)。如已到達(dá)文件的尾端，則返回0。圖9是sys_read()實(shí)現(xiàn)代碼中的函數(shù)調(diào)用關(guān)系圖。

對文件進(jìn)行讀操作時(shí)，需要先打開它。從3.1小結(jié)可知，打開一個(gè)文件時(shí)，會(huì)在內(nèi)存組裝一個(gè)文件對象，希望對該文件執(zhí)行的操作方法已在文件對象設(shè)置好。所以 對文件進(jìn)行讀操作時(shí)，VFS在做了一些簡單的轉(zhuǎn)換后（由文件描述符得到其對應(yīng)的文件對象；其核心思想是返回 current->files->fd[fd]所指向的文件對象），就可以通過語句 file->f_op->read(file, buf, count, pos)輕松調(diào)用實(shí)際文件系統(tǒng)的相應(yīng)方法對文件進(jìn)行讀操作了。

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4 解決問題

4.1 跨文件系統(tǒng)的文件操作的基本原理

到此，我們也就能夠解釋在Linux中為什么能夠跨文件系統(tǒng)地操作文件了。舉個(gè)例子，將vfat格式的磁盤上的一個(gè)文件a.txt拷貝到ext3格式的磁 盤上，命名為b.txt。這包含兩個(gè)過程，對a.txt進(jìn)行讀操作，對b.txt進(jìn)行寫操作。讀寫操作前，需要先打開文件。由前面的分析可知，打開文件 時(shí)，VFS會(huì)知道該文件對應(yīng)的文件系統(tǒng)格式，以后操作該文件時(shí)，VFS會(huì)調(diào)用其對應(yīng)的實(shí)際文件系統(tǒng)的操作方法。所以，VFS調(diào)用vfat的讀文件方法將 a.txt的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存；在將a.txt在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)映射到b.txt對應(yīng)的內(nèi)存空間后，VFS調(diào)用ext3的寫文件方法將b.txt寫入磁盤；從而 實(shí)現(xiàn)了最終的跨文件系統(tǒng)的復(fù)制操作。

4.2“一切皆是文件”的實(shí)現(xiàn)根本

不論是普通的文件，還是特殊的目錄、設(shè)備等，VFS都將它們同等看待成文件，通過同一套文件操作界面來對它們進(jìn)行操作。操作文件時(shí)需先打開；打開文件 時(shí)，VFS會(huì)知道該文件對應(yīng)的文件系統(tǒng)格式；當(dāng)VFS把控制權(quán)傳給實(shí)際的文件系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際的文件系統(tǒng)再做出具體區(qū)分，對不同的文件類型執(zhí)行不同的操作。這 也就是“一切皆是文件”的根本所在。

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5 總結(jié)

VFS即虛擬文件系統(tǒng)是Linux文件系統(tǒng)中的一個(gè)抽象軟件層；因?yàn)樗闹С?，眾多不同的?shí)際文件系統(tǒng)才能在Linux中共存，跨文件系統(tǒng)操作才能實(shí)現(xiàn)。 VFS借助它四個(gè)主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)即超級塊、索引節(jié)點(diǎn)、目錄項(xiàng)和文件對象以及一些輔助的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，向Linux中不管是普通的文件還是目錄、設(shè)備、套接字等 都提供同樣的操作界面，如打開、讀寫、關(guān)閉等。只有當(dāng)把控制權(quán)傳給實(shí)際的文件系統(tǒng)時(shí)，實(shí)際的文件系統(tǒng)才會(huì)做出區(qū)分，對不同的文件類型執(zhí)行不同的操作。由此 可見，正是有了VFS的存在，跨文件系統(tǒng)操作才能執(zhí)行，Unix/Linux中的“一切皆是文件”的口號(hào)才能夠得以實(shí)現(xiàn)。

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6 參考文獻(xiàn)

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[4].楊芙清，陳向群.操作系統(tǒng)教程.北京大學(xué)出版社.2005.7

[5].Linux-2.6.17.13內(nèi)核源代碼