Linux 虚拟文件系统四大对象:超级块、inode、dentry、file之间关系

操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构称为文件管理系统,简称文件系统。

通常文件系统是用于存储和组织文件的一种机制,便于对文件进行方便的查找与访问。

文件系统是对文件存储设备的空间进行组织和分配,负责文件存储并对存入的文件进行保护和检索的系统。

它负责为用户建立文件,存入、读出、修改、转储文件,控制文件的存取,当用户不再使用时撤销文件等。

随着文件种类的增多,扩增了更多的文件系统,为了对各种文件系统进行统一的管理与组织。

2. Linux文件系统

Linux将文件系统分为了两层:VFS(虚拟文件系统)、具体文件系统,如下图所示:

VFS


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。

VFS并不是一种实际的文件系统,它只存在于内存中,不存在任何外存空间,VFS在系统启动时建立,在系统关闭时消亡。

VFS由超级块、inode、dentry、vfsmount等结构来组成。

Linux系统中存在很多的文件系统,例如常见的ext2,ext3,ext4,sysfs,rootfs,proc...等等。

二 、VFS 1. VFS在linux架构中的位置

从用户的使用角度,Linux下的文件系统中宏观上主要分为三层:

1.上层的文件系统的系统调用(System-call );

2.虚拟文件系统VFS(Virtual File System)层,

3.挂载到VFS中的各种实际文件系统。

VFS在整个Linux系统中的架构视图如下:

VFS

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。

2. 用户如何透明的去处理文件?

我们知道每个文件系统是独立的,有自己的组织方法,操作方法。那么对于用户来说,不可能所有的文件系统都了解,那么怎么做到让用户透明的去处理文件呢?

例如:我想写文件,那就直接read就OK,不管你是什么文件系统,具体怎么去读!这里就需要引入虚拟文件系统。

所以虚拟文件系统就是:对于一个system,可以存在多个“实际的文件系统”,例如:ext2,ext3,fat32,ntfs...例如我现在有多个分区,对于每一个分区我们知道可以是不同的“实际文件系统”。

例如现在三个磁盘分区分别是:ext2,ext3,fat32,那么每个“实际的文件系统”的操作和数据结构肯定不一样,那么,用户怎么能透明使用它们呢?

这个时候就需要VFS作为中间一层!用户直接和VFS打交道。

VFS是一种软件机制,只存在于内存中,每次系统初始化期间Linux都会先在内存中构造一棵VFS的目录树(也就是源码中的namespace)。

VFS主要的作用是对上层应用屏蔽底层不同的调用方法,提供一套统一的调用接口,二是便于对不同的文件系统进行组织管理。

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。

例如read,write,那么映射到VFS中就是sys_read,sys_write,那么VFS可以根据你操作的是哪个“实际文件系统”(哪个分区)来进行不同的实际的操作!这个技术也是很熟悉的“钩子结构”技术来处理的。

其实就是VFS中提供一个抽象的struct结构体,然后对于每一个具体的文件系统要把自己的字段和函数填充进去,这样就解决了异构问题(内核很多子系统都大量使用了这种机制)。

三、Linux虚拟文件系统四大对象

为了对文件系统进行统一的管理与组织,Linux创建了一个公共根目录和全局文件系统树。要访问一个文件系统中的文件,必须先将这个文件系统挂载在全局文件系统树的某个根目录下,这一挂载过程被称作文件系统的挂载,所挂载的目录称为挂载点。

传统的文件系统在磁盘上的布局如下:

Linux 虚拟文件系统四大对象:超级块、inode、dentry、file之间关系


由上图可知,文件系统的开头通常是由一个磁盘扇区所组成的引导块,该部分的主要目的是用于对操作系统的引导。一般只在启动操作系统时使用。

随后是超级块,超级块主要存放了该物理磁盘中文件系统结构的相关信息,并且对各个部分的大小进行说明。

最后由i节点位图,逻辑块位图、i节点、逻辑块这几部分分布在物理磁盘上。

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