Linux文件存储抽象VFS

发表于:2018-3-21 09:49  作者:OshynSong   来源:CSDN博客

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  概念
  VFS(Virtual Filesystem Switch)称为虚拟文件系统或虚拟文件系统转换,是一个内核软件层,在具体的文件系统之上抽象的一层,用来处理与Posix文件系统相关的所有调用,表现为能够给各种文件系统提供一个通用的接口,使上层的应用程序能够使用通用的接口访问不同文件系统,同时也为不同文件系统的通信提供了媒介。
  架构
  VFS在整个Linux系统中的架构视图如下:
  Linux系统的User使用GLIBC(POSIX标准、GUN C运行时库)作为应用程序的运行时库,然后通过操作系统,将其转换为系统调用SCI(system-call interface),SCI是操作系统内核定义的系统调用接口,这层抽象允许用户程序的I/O操作转换为内核的接口调用。VFS提供了一个抽象层,将POSIX API接口与不同存储设备的具体接口实现进行了分离,使得底层的文件系统类型、设备类型对上层应用程序透明。
  接口适配示例
  用户写入一个文件,使用POSIX标准的write接口,会被操作系统接管,转调sys_write这个系统调用(属于SCI层)。然后VFS层接受到这个调用,通过自身抽象的模型,转换为对给定文件系统、给定设备的操作,这一关键性的步骤是VFS的核心,需要有统一的模型,使得对任意支持的文件系统都能实现系统的功能。这就是VFS提供的统一的文件模型(common file model),底层具体的文件系统负责具体实现这种文件模型,负责完成POSIX API的功能,并最终实现对物理存储设备的操作。
  VFS这一层建模和抽象是有必要的,如果放在SCI层会导致操作系统的系统调用的功能过于复杂,易出bug。那么就只能让底层文件系统都遵循统一实现,这对于已经出现的各种存储设备来说天然就有不同的特性,也是无法实现的。因此VFS这样一层抽象是有其必要性的。
  跨设备/文件系统示例
  VFS为不同设备或文件系统间的访问提供了媒介,下面的示意图和代码中,用户通过cp命令进行文件的拷贝,对用户来说是不用关心底层是否跨越文件系统和设备的,具体都通过VFS抽象层实现对不同文件系统的读写操作。
  VFS的抽象接口
  上述示例中提到VFS也有自己的文件模型,用来支持操作系统的系统调用。下面是VFS抽象模型支持的所有Linux系统调用:
  · 文件系统相关:mount, umount, umount2, sysfs,  statfs,  fstatfs,  fstatfs64, ustat
  · 目录相关:chroot,pivot_root,chdir,fchdir,getcwd,mkdir,rmdir,getdents,getdents64,readdir,link,unlink,rename,lookup_dcookie
  · 链接相关:readlink,symlink
  · 文件相关:chown, fchown,lchown,chown16,fchown16,lchown16,hmod,fchmod,utime,stat,fstat,lstat,acess,oldstat,oldfstat,oldlstat,stat64,lstat64,lstat64,open,close,creat,umask,dup,dup2,fcntl, fcntl64,select,poll,truncate,ftruncate,truncate64,ftruncate64,lseek,llseek,read,write,readv,writev,sendfile,sendfile64,readahead
  Linux系统VFS支持的文件系统
  · Disk-based 文件系统:Ext2, ext3, ReiserFS,Sysv, UFS, MINIX, VxFS,VFAT, NTFS,ISO9660 CD-ROM, UDF DVD,HPFS, HFS, AFFS, ADFS,
  · Network 文件系统:NFS, Coda, AFS, CIFS, NCP
  · 特殊文件系统:/proc,/tmpfs等
  统一文件模型(common file model)
  VFS为了提供对不同底层文件系统的统一接口,需要有一个高度的抽象和建模,这就是VFS的核心设计——统一文件模型。目前的Linux系统的VFS都是源于Unix家族,因此这里所说的VFS对所有Unix家族的系统都适用。Unix家族的VFS的文件模型定义了四种对象,这四种对象构建起了统一文件模型。
  · superblock:存储文件系统基本的元数据。如文件系统类型、大小、状态,以及其他元数据相关的信息(元元数据)
  · index node(inode):保存一个文件相关的元数据。包括文件的所有者(用户、组)、访问时间、文件类型等,但不包括这个文件的名称。文件和目录均有具体的inode对应
  · directory entry(dentry):保存了文件(目录)名称和具体的inode的对应关系,用来粘合二者,同时可以实现目录与其包含的文件之间的映射关系。另外也作为缓存的对象,缓存最近最常访问的文件或目录,提示系统性能
  · file:一组逻辑上相关联的数据,被一个进程打开并关联使用
  统一文件模型是一个标准,各种具体文件系统的实现必须以此模型定义的各种概念来实现。
  Superblock
  静态:superblock保存了一个文件系统的最基础的元信息,一般都保存在底层存储设备的开头;动态:挂载之后会读取文件系统的superblock并常驻内存,部分字段是动态创建时设置的。superblock的具体定义见linux/include/fs/fs.h,下图展示了内存中维护的superblock:
  由于Linux系统支持同时挂载多个文件系统,因此s_list字段用于在内存中构建superblock链表来支持挂载多个文件系统。s_root字段标识该文件系统的根目录,s_bdev标识该文件系统所在的设备信息。其中最重要的字段是s_op,这个指针指向该文件系统所支持的各种操作的结构体,称为“super_operations”,具体定义如下:
struct super_operations {
struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
void (*destroy_inode)(struct inode *);
void (*dirty_inode) (struct inode *);
int (*write_inode) (struct inode *, int);
void (*drop_inode) (struct inode *);
void (*delete_inode) (struct inode *);
void (*put_super) (struct super_block *);
void (*write_super) (struct super_block *);
int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);
int (*freeze_fs) (struct super_block *);
int (*unfreeze_fs) (struct super_block *);
int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);
int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
void (*clear_inode) (struct inode *);
void (*umount_begin) (struct super_block *);
int (*show_options)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
int (*show_stats)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
ssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);
ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);
int (*bdev_try_to_free_page)(struct super_block*, struct page*, gfp_t);
};
  这个结构体的每个成员都一个函数指针,用来代表这个操作具体应该执行的底层操作。例如需要写入数据时,VFS会通过superblock中的s_op字段最终去调用write_super来执行文件系统的具体操作:sb->s_op->write_super(sb)。所有这些调用都由VFS完成,向上对接了操作系统的sys_write系统调用,向下转交到具体文件系统的底层操作。
  每一个文件系统使用前必须进行挂载(mount),superblock包含的s_type字段定义了这个文件系统的类型。通过系统调用register_filesystem()、unregister_filesystem()可以实现对具体文件系统的挂载和卸载,它们都只有一个参数,就是文件系统类型“ file_system_type”。本质上就是告诉操作系统挂载的文件系统信息。对于2.6.18之后的内核版本,该结构体定义如下:
struct file_system_type {
const char *name; //文件系统类型名称
int fs_flags;
struct super_block *(*get_sb)(struct file_system_type *,
int, char *, void *, struct vfsmount *); //挂载文件系统时由kernel调用,用于创建内存中的superblock
void (*kill_sb) (struct super_block *); //卸载文件系统是由kernel调用,用于移除内存中的superblock
struct module *owner;
struct file_system_type *next;
struct list_head fs_supers;
struct lock_class_key s_lock_key;
struct lock_class_key s_umount_key;
};
  另外,get_sb的最后一个参数是vfsmount类型,这是系统用来记录挂载信息的数据结构。它保存了挂载点、设备、挂载选项等信息。对于每个一个打开的进程来说,都会在其内核部分维护两个数据结构:fs_struct和file;分别用来描述关联的文件系统信息和打开的文件信息。
  Index node
  静态:创建文件系统时生成inode,保存在具体存储设备上,记录了文件系统的元信息;动态:VFS在内存中使用inode数据结构,来管理文件系统的文件对象,记录了文件对象的详细信息,部分字段与关联的文件对象有关,会动态创建。具体信息如下:
  i_dentry字段指定当前inode标识的文件对象的名称,也就是dentry,是一个链表的,因为可能由多个dentry都指向这个inode(硬链接)。然后除了文件的一些权限信息、访问时间、大小等信息之外,最重要的就是记录了inode和file对象所提供的操作,分别是i_fop和i_op。其中inode支持的操作示例如下:
struct inode_operations {
int (*create) (struct inode *, struct dentry *, int);
struct dentry * (*lookup) (struct inode *, struct dentry *);
int (*link) (struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
int (*unlink) (struct inode *, struct dentry *);
int (*symlink) (struct inode *, struct dentry *, const char *);
int (*mkdir) (struct inode *, struct dentry *, int);
int (*rmdir) (struct inode *, struct dentry *);
int (*mknod) (struct inode *, struct dentry *, int, dev_t);
int (*rename) (struct inode *, struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
int (*readlink) (struct dentry *, char *,int);
int (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
void (*truncate) (struct inode *);
int (*permission) (struct inode *, int);
int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
int (*getattr) (struct vfsmount *mnt, struct dentry *, struct kstat *);
int (*setxattr) (struct dentry *, const char *, const void *, size_t, int);
ssize_t (*getxattr) (struct dentry *, const char *, void *, size_t);
ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
int (*removexattr) (struct dentry *, const char *);
};
  inode在内存中创建后会有inode cache进行缓存,并执行延迟的write back策略保存到底层存储设备。
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