私有云架构设计与实践：VFS文件对象及路径解析

1.VFS操作对象

VFS的主要操作对象与结构包括file、inode、superblock、dentry。

Superblock表示被挂载的文件系统实例，包含存储设备、inode指针、块大小、superblock操作、文件系统类型、文件系统信息等。在一般文件系统中，它是存储于硬盘中文件系统控制块（filesystem control block）。

在VFS中inode储存了具体文件（目录）的相关信息，其中最重要的就是它们在具体文件系统内的inode编号，在用户空间可通过命令“ls-i”查看。很多文件系统比如ext系列、XFS等，都存在inode数据结构。

Dentry则是文件系统中目录与文件的映射关系，这种关系根据文件系统类型不同而有所差异。

与用户空间进程文件描述符（fd）对应的就是VFS中的file对象，它被存储于内核空间中且随着用户空间进程成功关闭文件而被释放。

2.VFS中涉及的主要操作形式

□文件系统类型注册

在使用某种文件系统时，内核首先需要将其注册至VFS。通常这个过程发生在系统启动或者手动加载文件系统模块时，注册完成后内核会将与之对应的file＿system＿type对象加入一个含有多种文件系统类型对象的单向链表中。

□挂载文件系统

在类Unix系统中，很多文件系统都可以通过形似“mount-t ext4/dev/sdb/mnt/sdb”的命令进行挂载，并且可以多次挂载到不同的挂载点。(https://www.xing528.com)

挂载普通文件系统时，一般会使用系统调用mount（）作为开始，然后再相继调用一系列内核函数。期间的do＿kern＿mount（）函数会通过get＿fs＿type（）、allocl＿vfsmnt（）、get＿sb获取挂载点与文件系统的superblock信息，然后再调用mnt＿sb（）、mnt＿root（）等函数进行挂载。

挂载根文件系统的过程发生在系统初始化的时候，由于要支持多种文件系统作为挂载点，所以相对来说它比较复杂，其过程可以简单分为两个部分。首先内核挂载会首先挂载一个特殊的rootfs文件系统，然后将其作为真正根文件系统的挂载点以挂载系统根目录，调用sys＿chroot（）后执行路径指向真正的根文件系统。

□卸载文件系统

系统调用umount（）用于卸载已挂载的文件系统，命令形似“umount/mnt/sdb”或者“umount/dev/sdb”。这个过程中内核会释放superblock并减少信号灯的值（因为一个文件系统可以被挂载多次，所以我们需要在卸载时对其是否存在其他挂载点进行检查）。对于存在读写进程的挂载点来说，在卸载时内核一般会检查其中的文件锁以阻止卸载。

□解析文件路径名

所有与文件或者目录相关的操作内核都要在VFS中对其路径名进行解析，以向其调用者返回正确的inode。在解析时，会对文件的权限、文件形式（符号链接、目录）、所处命名空间（参考第五章内容）等进行检查。具体解析操作是由path＿lookup（）函数完成，期间会查找dentry中d＿inode（代表目录的inode），如果路径名中存在“.”、“..”，则在处理时分别予以跳过或者进入父目录。

□实现文件相关系统调用

VFS在内核中注册的系统调用主要包括open（）、read（）、write（）、close（）等，它们与上层应用程序需要的文件描述符紧密相关。

□文件锁

绝大多数编程语言的文件锁实现，包括建议锁（advisory lock）、强制锁（mandatory lock），即是以VFS提供的fcntl（）和flock（）为基础。