在unix的世界里，有一句經典的話：一切對象皆是文件。這句話的含義是，可以將unix操作系統中的所有對象都視為文件，并使用文件操作接口來處理它們。linux作為一個類unix操作系統，也致力于實現這一理念。
虛擬文件系統概述
為了實現“一切對象皆是文件”的理念，Linux內核引入了一個中間層：虛擬文件系統（Virtual File System）。
如果你熟悉面向對象編程語言（如C++/Java等），你可能不陌生于“接口”這個概念。虛擬文件系統類似于面向對象中的接口，定義了一套標準的接口規范。開發者只需實現這套接口，就能夠通過文件操作接口來操作對象。如下圖所示：
上圖中的藍色部分就是虛擬文件系統所在位置。
從上圖可以看出，虛擬文件系統為上層應用提供了統一的接口。如果某個文件系統實現了虛擬文件系統的接口，那么上層應用就能夠使用諸如 open()、read() 和 write() 等函數來操作它們。
今天，我們就來介紹虛擬文件系統的原理與實現。
虛擬文件系統原理
在闡述虛擬文件系統的原理前，我們先來介紹一個 Java 例子。通過這個 Java 例子，我們能夠更容易理解虛擬文件系統的原理。
一個Java例子
如果大家使用過 Java 編寫程序的話，那么就很容易理解虛擬文件系統了。我們使用 Java 的接口來模擬虛擬文件系統的定義：
public?interface?VFSFile?{ ??int?open(String?file,?int?mode); ??int?read(int?fd,?byte[]?buffer,?int?size); ??int?write(int?fd,?byte[]?buffer,?int?size); ??... }
上面定義了一個名為 VFSFile 的接口，接口中定義了一些方法，如 open()、read() 和 write() 等?，F在我們來定義一個名為 Ext3File 的對象來實現這個接口：
public?class?Ext3File?implements?VFSFile?{ ??@Override ??public?int?open(String?file,?int?mode)?{ ????... ??} ?? ??@Override ??public?int?read(int?fd,?byte[]?buffer,?int?size)?{ ????... ??} ?? ??@Override ??public?int?write(int?fd,?byte[]?buffer,?int?size)?{ ????... ??} ?? ??... }
現在我們就能使用 VFSFile 接口來操作 Ext3File 對象了，如下代碼：
public?class?Main()?{ ??public?static?void?main(String[]?args)?{ ????VFSFile?file?=?new?Ext3File(); ???? ????int?fd?=?file.open("/tmp/file.txt",?0); ????... ??} }
從上面的例子可以看出，底層對象只需要實現 VFSFile 接口，就可以使用 VFSFile 接口相關的方法來操作對象，用戶完全不需要了解底層對象的實現過程。
虛擬文件系統原理
上面的 Java 例子已經大概說明虛擬文件系統的原理，但由于 Linux 是使用 C 語言來編寫的，而 C 語言并沒有接口這個概念。所以，Linux 內核使用了一些技巧來模擬接口這個概念。
下面來介紹一下 Linux 內核是如何實現的。
1. file結構
為了模擬接口，Linux 內核定義了一個名為 file 的結構體，其定義如下：
struct?file?{ ????... ????const?struct?file_operations?*f_op; ????... };
在 file 結構中，最為重要的一個字段就是 f_op，其類型為 file_operations 結構。而 file_operations 結構是由一組函數指針組成，其定義如下：
struct?file_operations?{ ????... ????loff_t?(*llseek)?(struct?file?*,?loff_t,?int); ????ssize_t?(*read)?(struct?file?*,?char?__user?*,?size_t,?loff_t?*); ????ssize_t?(*write)?(struct?file?*,?const?char?__user?*,?size_t,?loff_t?*); ????... ????int?(*open)?(struct?inode?*,?struct?file?*); ????... };
從 file_operations 結構的定義可以隱約看到接口的影子，所以可以猜想出，如果實現了 file_operations 結構中的方法，應該就能接入到虛擬文件系統中。
在 Linux 內核中，file 結構代表著一個被打開的文件。所以，只需要將 file 結構的 f_op 字段設置成不同文件系統實現好的方法集，那么就能夠使用不同文件系統的功能。
這個過程在 __dentry_open() 函數中實現，如下所示：
static?struct?file?* __dentry_open(struct?dentry?*dentry,? ??????????????struct?vfsmount?*mnt,? ??????????????truct?file?*f,? ??????????????int?(*open)(struct?inode?*,?struct?file?*),? ??????????????const?struct?cred?*cred) { ????... ????inode?=?dentry->d_inode; ????... ????//?設置file結構的f_op字段為底層文件系統實現的方法集 ????f->f_op?=?fops_get(inode->i_fop); ????... ????return?f; }
設置好 file 結構的 f_op 字段后，虛擬文件系統就能夠使用通用的接口來操作此文件了。調用過程如下：
2. file_operations結構
底層文件系統需要實現虛擬文件系統的接口，才能被虛擬文件系統使用。也就是說，底層文件系統需要實現 file_operations 結構中的方法集。
一般底層文件系統會在其內部定義好 file_operations 結構，并且填充好其方法集中的函數指針。如 minix文件系統 就定義了一個名為 minix_file_operations 的 file_operations 結構。其定義如下：
//?文件：fs/minix/file.c const?struct?file_operations?minix_file_operations?=?{ ????.llseek?????????=?generic_file_llseek, ????.read???????????=?do_sync_read, ????.aio_read???????=?generic_file_aio_read, ????.write??????????=?do_sync_write, ????.aio_write??????=?generic_file_aio_write, ????.mmap???????????=?generic_file_mmap, ????.fsync??????????=?generic_file_fsync, ????.splice_read????=?generic_file_splice_read, };
也就是說，如果當前使用的是 minix 文件系統，當使用 read() 函數讀取其文件的內容時，那么最終將會調用 do_sync_read() 函數來讀取文件的內容。
3. dentry結構
到這里，虛擬文件系統的原理基本分析完畢，但還有兩個非常重要的結構要介紹一下的：dentry 和 inode。
dentry 結構表示一個打開的目錄項，當我們打開文件 /usr/local/lib/libc.so 文件時，內核會為文件路徑中的每個目錄創建一個 dentry 結構。如下圖所示：
可以看到，file 結構有個指向 dentry 結構的指針，如下所示：
struct?file?{ ????... ????struct?path?f_path; ????... ????const?struct?file_operations?*f_op; ????... }; struct?path?{ ????... ????struct?dentry?*dentry; };
與文件類似，目錄也有相關的操作接口，所以在 dentry 結構中也有操作方法集，如下所示：
struct?dentry?{ ????... ????struct?dentry?*d_parent;??????????????//?父目錄指針 ????struct?qstr?d_name;???????????????????//?目錄名字 ????struct?inode?*d_inode;????????????????//?指向inode結構 ????... ????const?struct?dentry_operations?*d_op;?//?操作方法集 ????... };
其中的 d_op 字段就是目錄的操作方法集。
內核在打開文件時，會為路徑中的每個目錄創建一個 dentry 結構，并且使用 d_parent 字段來指向其父目錄項，這樣就能通過 d_parent 字段來追索到根目錄。
4. inode結構
在 Linux 內核中，inode 結構表示一個真實的文件。為什么有了 dentry 結構還需要 inode 結構呢？這是因為 Linux 存在硬鏈接的概念。
例如使用以下命令為 /usr/local/lib/libc.so 文件創建一個硬鏈接：
ln?/usr/local/lib/libc.so?/tmp/libc.so
現在 /usr/local/lib/libc.so 和 /tmp/libc.so 指向同一個文件，但它們的路徑是不一樣的。所以，就需要引入 inode 結構了。如下圖所示：
由于 /usr/local/lib/libc.so 和 /tmp/libc.so 指向同一個文件，所以它們都使用同一個 inode 對象。
inode 結構保存了文件的所有屬性值，如文件的創建時間、文件所屬用戶和文件的大小等。其定義如下所示：
struct?inode?{ ????... ????uid_t???????????i_uid;???????????????//?文件所屬用戶 ????gid_t???????????i_gid;???????????????//?文件所屬組 ????... ????struct?timespec?i_atime;?????????????//?最后訪問時間 ????struct?timespec?i_mtime;?????????????//?最后修改時間 ????struct?timespec?i_ctime;?????????????//?文件創建時間 ????... ????unsigned?short??i_bytes;?????????????//?文件大小 ????... ????const?struct?file_operations?*i_fop;?//?文件操作方法集（用于設置file結構） ????... };
我們注意到 inode 結構有個類型為 file_operations 結構的字段 i_fop，這個字段保存了文件的操作方法集。當用戶調用 open() 系統調用打開文件時，內核將會使用 inode 結構的 i_fop 字段賦值給 file 結構的 f_op 字段。我們再來重溫下賦值過程：
static?struct?file?* __dentry_open(struct?dentry?*dentry,? ??????????????struct?vfsmount?*mnt,? ??????????????truct?file?*f,? ??????????????int?(*open)(struct?inode?*,?struct?file?*),? ??????????????const?struct?cred?*cred) { ????... ????//?文件對應的inode對象 ????inode?=?dentry->d_inode; ????... ????//?使用inode結構的i_fop字段賦值給file結構的f_op字段 ????f->f_op?=?fops_get(inode->i_fop); ????... ????return?f; }
總結
本文主要介紹了 虛擬文件系統 的基本原理，從分析中可以發現，虛擬文件系統使用了類似于面向對象編程語言中的接口概念。正是有了 虛擬文件系統，Linux 才能支持各種各樣的文件系統。
