细说 Linux 虚拟文件系统原理
在 Unix 的世界里，有句很经典的话：一切对象皆是文件。这句话的意思是说，可以将 Unix 操作系统中所有的对象都当成文件，然后使用操作文件的接口来操作它们。Linux 作为一个类 Unix 操作系统，也努力实现这个目标。
虚拟文件系统简介
为了实现??这个目标，Linux 内核提供了一个中间层：。
如果大家使用过面向对象编程语言（如C++/Java等）的话，应该对??这个概念并不陌生。而虚拟文件系统类似于面向对象中的接口，定义了一套标准的接口。开发者只需要实现这套接口，即可以使用操作文件的接口来操作对象。如下图所示：
上图中的蓝色部分就是虚拟文件系统所在位置。
从上图可以看出，虚拟文件系统为上层应用提供了统一的接口。如果某个文件系统实现了虚拟文件系统的接口，那么上层应用就能够使用诸如?、?和??等函数来操作它们。
今天，我们就来介绍虚拟文件系统的原理与实现。
虚拟文件系统原理
在阐述虚拟文件系统的原理前，我们先来介绍一个 Java 例子。通过这个 Java 例子，我们能够更容易理解虚拟文件系统的原理。
一个Java例子
如果大家使用过 Java 编写程序的话，那么就很容易理解虚拟文件系统了。我们使用 Java 的接口来模拟虚拟文件系统的定义：
上面定义了一个名为??的接口，接口中定义了一些方法，如?、?和??等。现在我们来定义一个名为??的对象来实现这个接口：
现在我们就能使用??接口来操作??对象了，如下代码：
从上面的例子可以看出，底层对象只需要实现??接口，就可以使用??接口相关的方法来操作对象，用户完全不需要了解底层对象的实现过程。
虚拟文件系统原理
上面的 Java 例子已经大概说明虚拟文件系统的原理，但由于 Linux 是使用 C 语言来编写的，而 C 语言并没有接口这个概念。所以，Linux 内核使用了一些技巧来模拟接口这个概念。
下面来介绍一下 Linux 内核是如何实现的。
1. file结构
为了模拟接口，Linux 内核定义了一个名为??的结构体，其定义如下：
在 file 结构中，最为重要的一个字段就是?，其类型为??结构。而??结构是由一组函数指针组成，其定义如下：
从??结构的定义可以隐约看到接口的影子，所以可以猜想出，如果实现了??结构中的方法，应该就能接入到虚拟文件系统中。
在 Linux 内核中，?结构代表着一个被打开的文件。所以，只需要将??结构的??字段设置成不同文件系统实现好的方法集，那么就能够使用不同文件系统的功能。
这个过程在??函数中实现，如下所示：
设置好??结构的??字段后，虚拟文件系统就能够使用通用的接口来操作此文件了。调用过程如下：
2. file_operations结构
底层文件系统需要实现虚拟文件系统的接口，才能被虚拟文件系统使用。也就是说，底层文件系统需要实现??结构中的方法集。
一般底层文件系统会在其内部定义好??结构，并且填充好其方法集中的函数指针。如??就定义了一个名为??的??结构。其定义如下：
也就是说，如果当前使用的是 minix 文件系统，当使用??函数读取其文件的内容时，那么最终将会调用??函数来读取文件的内容。
3. dentry结构
到这里，虚拟文件系统的原理基本分析完毕，但还有两个非常重要的结构要介绍一下的：?和?。
结构表示一个打开的目录项，当我们打开文件??文件时，内核会为文件路径中的每个目录创建一个??结构。如下图所示：
可以看到，?结构有个指向??结构的指针，如下所示：
与文件类似，目录也有相关的操作接口，所以在??结构中也有操作方法集，如下所示：
其中的??字段就是目录的操作方法集。
内核在打开文件时，会为路径中的每个目录创建一个??结构，并且使用??字段来指向其父目录项，这样就能通过??字段来追索到根目录。
4. inode结构
在 Linux 内核中，?结构表示一个真实的文件。为什么有了??结构还需要??结构呢？这是因为 Linux 存在硬链接的概念。
例如使用以下命令为??文件创建一个硬链接：
现在??和??指向同一个文件，但它们的路径是不一样的。所以，就需要引入??结构了。如下图所示：
由于??和??指向同一个文件，所以它们都使用同一个??对象。
inode 结构保存了文件的所有属性值，如文件的创建时间、文件所属用户和文件的大小等。其定义如下所示：
我们注意到 inode 结构有个类型为??结构的字段?，这个字段保存了文件的操作方法集。当用户调用??系统调用打开文件时，内核将会使用??结构的??字段赋值给??结构的??字段。我们再来重温下赋值过程：
总结
本文主要介绍了??的基本原理，从分析中可以发现，虚拟文件系统使用了类似于面向对象编程语言中的接口概念。正是有了?，Linux 才能支持各种各样的文件系统。
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