linux虚拟文件系统概述

柔情只为你懂 2022-08-27 08:48 450阅读 0赞

本文转载自：http://blog.chinaunix.net/uid-12567959-id-160983.html

原文是 Linux/Documentation/filesystems/vfs.txt

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Overview of the Linux Virtual File System

Original author: Richard Gooch <rgooch@atnf.csiro.au>

Last updated on June 24, 2007.

This file is released under the GPLv2.

**简介**

**============**

虚拟文件系统（或称为虚拟文件系统转换层）是一个内核中的软件层，它给用户空间程序提供文件系统接口。同时在内核中提供一种抽象以允许不同文件系统的实现的共存。

VFS系统调用open(2), stat(2), read(2), write(2), chmod(2)等从一个进程上下文调用。文件系统锁在文档Documentation/filesystems/Locking描述。

**目录项缓存(dcache)**

**------------------**

VFS实现open(2), stat(2), chmod(2)等一些系统调用。路径名参数被传递给它们，VFS使用路径名参数通过目录项缓存（也被称为dentry cache或dcache）来查找。这提供了一种非常快速的查询机制来将路径名（文件名）转换为一个特定的dentry。Dentries存在于内存中，并且从来不会被保存到磁盘：它们的存在仅仅是为了性能。

dentry缓存是作为一个通向你的整个文件空间的视图而存在的。由于大多数计算机都不能在同一时间将所有的dentries都装入到内存中，所以一些位的缓存是不命中的。为了将你的路径名解析为一个dentry，VFS可能不得不去创建dentries，并且加载inode。这通过查找inode来完成。

**inode 对象**

**----------------**

一个独立的dentry通常有一个指向一个inode的指针。Inodes是文件系统对象，比如常规文件，目录，FIFOs和其他的beasts。它们或者存在于磁盘上（对于块设备文件系统）或者存在于内存中（对于伪文件系统）。存在于磁盘上的Inodes将在请求的时候被拷贝进内存，而对inode的修改将被写回到磁盘。可以有多个dentries指向同一个inode（比如硬链接，hard links）。

为了查找一个请求的inode，VFS会调用父目录inode的lookup()方法。这个方法由inode所在的特定的文件系统实现安装。一旦VFS有了请求的dentry（并因此有了inode），那么我们就可以做所有的令人讨厌的如open(2) 文件, 或者stat(2) 它来查看inode数据等的事情。stat(2)操作相当的简单：VFS有了dentry，它查看inode数据并且将其中的一些传回给用户空间。

**文件对象（The File Object）**

**--------------------------**

打开一个文件需要另外一个操作：分配一个file结构（这是内核边（kernel-side，相对于进程的文件描述符）实现的文件描述符）。新分配的file结构总是用一个指向dentry的指针和一系列文件操作成员函数来初始化。这些都取自inode数据。然后，open()文件方法被调用，以使特定的文件系统实现可以做它的工作。你可以看到，这是由VFS执行另一个转换。file结构被放在进程的文件描述符表中。

读、写和关闭文件（还有其他的各种各样的VFS操作）通过使用文件描述符来获得合适的file结构，然后调用请求的文件结构方法来做请求的动作来完成。文件被打开后，它将保持dentry可用，这反过来意味着VFS inode是可用的。

**注册和挂载一个文件系统**

**======================**

注册或注销一个文件爱你系统，可以使用下面的API函数：

\#include <linux/fs.h>

extern int register\_filesystem(struct file\_system\_type \*);

extern int unregister\_filesystem(struct file\_system\_type \*);

传递的struct file\_system\_type描述了你的文件系统。当有一个挂载一个设备到一个你文件空间的一个目录的请求产生时，VFS将会为特定的文件系统调用合适的get\_sb()方法。挂载点的dentry将会被更新以指向新文件系统的根inode。

你可以在文件/proc/filesystems中查看所有的已注册的文件系统。

**struct file\_system\_type**

**-----------------------**

这个结构体用于描述一个文件系统。这个结构体有如下定义：

struct file\_system\_type \{

const char \*name;

int fs\_flags;

int (\*get\_sb) (struct file\_system\_type \*, int,

const char \*, void \*, struct vfsmount \*);

void (\*kill\_sb) (struct super\_block \*);

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;

struct lock\_class\_key i\_lock\_key;

struct lock\_class\_key i\_mutex\_key;

struct lock\_class\_key i\_mutex\_dir\_key;

struct lock\_class\_key i\_alloc\_sem\_key;

\};

name: 文件系统类型的名字, 比如 "ext2", "iso9660", "msdos" 等等

fs\_flags: 各种标志 (i.e. FS\_REQUIRES\_DEV, FS\_NO\_DCACHE, etc.)

get\_sb: 当有一个该文件系统的新的实例被挂载的时候调用的方法

kill\_sb: 当该文件系统的一个实例被卸载的时候调用的方法

owner: 给VFS内部使用: 在大多数情况下你应该将它初始化为THIS\_MODULE。

next: 给VFS内部使用: 你应该将它初始化为NULL

s\_lock\_key, s\_umount\_key: lockdep-specific

get\_sb() 方法有下列参数:

struct file\_system\_type \*fs\_type: 描述文件系统, 被特定文件系统码备份的初始化

int flags: 挂载标志

const char \*dev\_name: 我们挂载的设备的设备名

void \*data: 任意的挂载选项, 通常是一个ASCII字符串(参考 "挂载选项" 部分)

struct vfsmount \*mnt: 一个挂载点vfs内部的代表

get\_sb()方法必须判断用dev\_name和fs\_type指定的特定设备是否包含一个该方法支持的文件系统类型。如果它成功的打开了用名字指定的块设备，则为块设备包含的文件系统初始化一个struct super\_block描述符。出错时它返回错误。

get\_sb()方法最多的是填充超级块结构的成员"s\_op"。这是一个指向一个"struct super\_operations"的指针，而"struct super\_operations"则描述了文件系统实现的下一个层次。

通常一个文件系统使用某个通用的get\_sb()实现并提供fill\_super()方法来代替。通用的方法有：

get\_sb\_bdev: 挂载一个位于一个块设备上的文件系

get\_sb\_nodev: 挂载一个没有被一个设备支持的文件系统

get\_sb\_single: 挂载一个mount a filesystem which shares the instance between all mounts

一个fill\_super()方法实现具有如下的参数：

struct super\_block \*sb: 超级块结构。fill\_super()方法必须适当的初始化它

void \*data: 任意的挂载选项，通常是一个ASCII字符串(参考 "挂载选项" 部分)

int silent: whether or not to be silent on error

超级快对象（The Superblock Object）

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一个超级快对象代表一个挂载的文件系统。

struct super\_operations

\-----------------------

他描述了VFS能如何管理你的文件系统的超级块。其定义如下：

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 \*);

\#ifdef CONFIG\_QUOTA

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);

\#endif

int (\*bdev\_try\_to\_free\_page)(struct super\_block\*, struct page\*, gfp\_t);

\};

所有的方法都在不持有任何锁的情况下调用，除非另有说明。这意味着大多说方法可以安全的阻塞。所有的方法都只从进程上下文调用（比如，不会从一个中断处理程序或下半部）。

alloc\_inode: 这个方法由inode\_alloc()调用来为struct inode 分配内存并初始化它。如果这个函数没有定义，则一个简单的'struct inode'被分配。通常alloc\_inode 将被用来分配一个更大的内嵌有'struct inode'的结构体。

destroy\_inode: 这个方法由destroy\_inode()调用来释放为struct inode 分配的资源。只有当->alloc\_inode 有定义的时候才需要它，它只是简单的撤销->alloc\_inode 所做的一切。

dirty\_inode: 这个方法被VFS调用来标记一个inode 为dirty。

write\_inode: 当VFS需要将一个inode 写回磁盘的时候调用这个方法。第二个参数用以说明写是否为同步的，并不是所有的文件系统都会检查这个标志。

drop\_inode: 当对inode 的最后的访问被丢弃的时候调用，调用时要持有inode\_lock自旋锁。

这个方法应该为NULL (普通的 UNIX 文件系统语义) 或者"generic\_delete\_inode" (对于那些不需要缓存inodes的文件系统 – 导致"delete\_inode" 总是被调用而不管i\_nlink的值是多少。

generic\_delete\_inode()的行为和以前在put\_inode()情形中使用的"force\_delete"是一样的，只是它没有"force\_delete()"方法中出现的竞争显现。

delete\_inode: 当VFS想要删除（delete）一个inode 时调用

put\_super: 当VFS想要释放superblock 是调用（比如unmount）。在持有superblock 锁时调用。

write\_super: 当VFS superblock 需要被写回磁盘时调用。这个方法是可选的。

sync\_fs: 当VFS写完所有的与superblock 相关的“脏”的数据之后调用。第二个参数用以说明这个方法是否需要等待知道写出操作完成。可选的。

freeze\_fs: 当VFS锁定一个文件系统并强制它进入一致性状态时调用。这个方法现在为Logical Volume Manager (LVM)所用。

unfreeze\_fs: 当VFS解除锁定一个文件系统并再次使它可写是调用。

statfs: 当VFS需要获得文件系统统计量时调用。

remount\_fs: 当文件系统被重新挂载时调用。持有内核锁时调用。

clear\_inode: 当VFS清除（clear）inode 时调用。可选。

umount\_begin: 当VFS卸载一个文件系统时调用。

show\_options:被VFS调用来为/proc/<pid>/mounts显示挂载选项 。 (参考 "挂载选项" 部分)

quota\_read: VFS调用以从文件系统读取配额文件。

quota\_write: VFS调用以将配额文件写回文件系统。

设置inode者有责任填充"i\_op"成员。这是一个指向一个"struct inode\_operations"的指针，而struct inode\_operations则描述可以操作单个inodes的方法。

inode 对象

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一个inode代表一个文件系统内的对象。

struct inode\_operations

\-----------------------

它描述了VFS是如何管理你文件系统中的inode的。在kernel 2.6.32.7中它有如下的定义：

struct inode\_operations \{

int (\*create) (struct inode \*,struct dentry \*,int, struct nameidata \*);

struct dentry \* (\*lookup) (struct inode \*,struct dentry \*, struct nameidata \*);

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 \_\_user \*,int);

void \* (\*follow\_link) (struct dentry \*, struct nameidata \*);

void (\*put\_link) (struct dentry \*, struct nameidata \*, void \*);

void (\*truncate) (struct inode \*);

int (\*permission) (struct inode \*, int);

int (\*check\_acl)(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 \*);

void (\*truncate\_range)(struct inode \*, loff\_t, loff\_t);

long (\*fallocate)(struct inode \*inode, int mode, loff\_t offset,

loff\_t len);

int (\*fiemap)(struct inode \*, struct fiemap\_extent\_info \*, u64 start,

u64 len);

\};

再次，除非另有说明，所有的方法都在不持有锁的情况下调用。

create: 被open(2) and creat(2)系统调用所调用。只要你想要支持普通（regular ）文件时才需要。你获得的dentry应该还没有inode（比如，它应该是一个negative dentry）。这里你可能要以dentry和新建的inode为参数来调用d\_instantiate()。

lookup: 当VFS需要在一个父目录中查询一个inode时调用。需要查询的名字在dentry中。这个方法必须调用d\_add()来将找到的inode插入到dentry中。inode 结构中的"i\_count"成员应该被增加一。如果所要查找的特定名字的inode没要找到，NULL inode应该被插入到dentry中。(这就是所谓的 negative

dentry)。必须只有当一个实际的错误时这个例程才返回一个错误，否则使用如create(2), mknod(2), mkdir(2)等系统调用来创建inodes将会失败。如果你想要重载dentry方法，你应该初始化dentry的"d\_dop"成员，这是一个指向一个"dentry\_operations"结构体的指针。这个方法在持有目录inode信号量的的情况下调用。

link: 被link(2)系统调用所调用。只有当你想要支持硬链接的时候才需要。你可能需要调用。正像在create()方法中一样，你将可能需要调用d\_instantiate()。

unlink: unlink(2)系统调用掉哟个。只要当你想要支持删除（deleting ）inodes时才需要。

symlink: symlink(2)系统调用调用。只要当你想要支持符号链接时才需要。正像在create()方法中一样，你将可能需要调用d\_instantiate()。

mkdir:系统调用 mkdir(2)调用。只有当你想要支持创建子目录时才需要。正像在create()方法中一样，你将可能需要调用d\_instantiate()。

rmdir: 系统调用rmdir(2)调用。只有当你想要支持删除（deleting）子目录时才需要。

mknod: 系统调用mknod(2)调用来创建一个设备（字符设备，块设备）inode或一个命名管道 (FIFO)或socket。只有当你想要支持这些类型的inodes的创建时才需要。正像在create()方法中一样，你将可能需要调用d\_instantiate()。

rename: 系统调用rename(2)调用来重命名对象，以第二个inode和dentry为父目录和名字。

readlink: 系统调用readlink(2)调用。只有当你想要支持读取符号链接时才需要。

follow\_link: 由VFS调用来使一个符号链接跟随它所指向的inode。只有当你想要支持符号链接时才需要它。此方法返回一个将会被传递给put\_link()的无类型指针cookie 。

put\_link: 由VFS调用来释放由follow\_link()分配的资源。由follow\_link()返回的cookie 被传递给它作为最后一个参数。它被NFS等页缓存不稳定的文件系统使用。 (比如，page that was installed when the symbolic link walk started might not be in the page cache at the end of the walk).

truncate: 由VFS调用来改变一个文件的大小。在调用这个方法之前，inode结构的i\_size成员被VFS设置为需要的大小。这个方法由truncate(2)方法及相关的函数调用。

permission: 在一个POSIX-like 文件系统上由VFS调用来检查访问权限。

setattr: 由VFS调用来为一个文件设置属性。这个方法由chmod(2)及相关的系统调用来调用。

getattr: 由VFS调用来获得一个文件的属性。这个方法由stat(2)及相关的系统调用来调用。

setxattr: 由VFS调用来设置一个文件的扩展属性。扩展属性是一个与一个inode关联的name:value对。这个方法由系统调用setxattr(2)调用。

getxattr: 由VFS调用来检索一个扩展属性名的值。这个方法由getxattr(2)函数掉哟个。

listxattr: 由VFS调用来列出给定文件的所有的扩展属性。这个方法由系统调用listxattr(2)调用。

removexattr: 由VFS调用来从一个文件移除（remove）。这个方法由系统调用removexattr(2)调用。

truncate\_range: 一个由底层文件系统提供来截断块的范围的方法，比如在一个文件的某些地方打洞。

地址空间对象（The Address Space Object）

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地址空间对象用来分类并管理页缓存中的页。它可以被用来跟踪一个文件（或其他）的页，也可以被用来跟踪一个文件映射到进程地址空间的段。

地址空间（address-space）可以提供许多不同但相关的服务。这包括communicating memory pressure, 根据地址查询页，和追踪标记为脏（Dirty）或写回（Writeback）的页。

其他人第一个可以独立的使用（The first can be used independently to the others.）VM可以试着写回“脏”页以清理（clean）它们，或者释放清理的页以重新使用它们。为了做到这些可以在“脏”页上调用->writepage,和在设置了PagePrivate 的条件下调用 ->releasepage 。没有PagePrivate也没有外部引用的的清理过的页将会在不给address\_space 通知的情况下释放。

为了完成这些功能，无论何时页被使用，则都需要使用lru\_cache\_add 和 mark\_page\_active 来将之放入一个LRU。

也通常被保存在一个由->index 索引的基数树里。这个数维护每一个页关于PG\_Dirty和 PG\_Writeback 的状态信息，以使具有这些标志的页可以被快速找到。

“脏”（Dirty）标记主要由mpage\_writepages - 默认的->writepages 方法来使用。它使用标记来查找“脏”（dirty）页并在其上调用->writepage 。如果不使用mpage\_writepages（比如地址(address)提供了它自己的->writepages）,则PAGECACHE\_TAG\_DIRTY标记已经未使用。write\_inode\_now 和 sync\_inode使用它（通过\_\_sync\_single\_inode）来检查->writepages已经成功写出整个的address\_space。

Writeback标记由filemap\*wait\* 和 sync\_page\*函数使用，通过filemap\_fdatawait\_range ，来等待所有的写回完成。等待的同时，将会在每一个请求写回的页上调用 ->sync\_page （如果定义了）。

一个address\_space handler 可能为page附加了额外信息，典型的是使用'struct page'的'private'成员。如果附加了这样的信息，则应该设置PG\_Private 标记。这将导致各种VM例程做一些进入address\_space 处理程序的额外的调用来处理那些数据。

一个地址空间就像存储和应用程序之间的一个中层。数据以页为单位在某一时刻被读入到地址空间，并通过对页的复制或者通过页的内存映射来提供给应用程序。应用程序将数据写回到地址空间，然后典型的以页为单位写回到存储器，然而address\_space 可以对写大小进行更好的控制。

读进程需要仅仅请求'readpage'。写进程要更复杂一些，它要使用write\_begin/write\_end 或 set\_page\_dirty来将数据写回到address\_space，并使用writepage，sync\_page，和 writepages来将数据写回存储器。

向address\_space 添加（add）和移除（removing）页有inode结构的i\_mutex 来保护。

将数据写入页的时候，应该设置PG\_Dirty标志。这个标志要一直处于设置状态，直到writepage请求将它写回。而此时则要清除（clear）PG\_Dirty并设置（PG\_Writeback）。它可能在PG\_Dirty被清除（clear）之后的任何时间点上被实际写回。在安全的时候，则可以清除PG\_Writeback。

写回充分利用了writeback\_control 结构……

struct address\_space\_operations

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它描述了VFS是如何管理你的文件系统中的一个文件到页缓存中的映射映射的。在kernel 2.6.32.7中，这个结构体有如下定义：

struct address\_space\_operations \{

int (\*writepage)(struct page \*page, struct writeback\_control \*wbc);

int (\*readpage)(struct file \*, struct page \*);

void (\*sync\_page)(struct page \*);

/\* Write back some dirty pages from this mapping. \*/

int (\*writepages)(struct address\_space \*, struct writeback\_control \*);

/\* Set a page dirty. Return true if this dirtied it \*/

int (\*set\_page\_dirty)(struct page \*page);

int (\*readpages)(struct file \*filp, struct address\_space \*mapping,

struct list\_head \*pages, unsigned nr\_pages);

int (\*write\_begin)(struct file \*, struct address\_space \*mapping,

loff\_t pos, unsigned len, unsigned flags,

struct page \*\*pagep, void \*\*fsdata);

int (\*write\_end)(struct file \*, struct address\_space \*mapping,

loff\_t pos, unsigned len, unsigned copied,

struct page \*page, void \*fsdata);

/\* Unfortunately this kludge is needed for FIBMAP. Don't use it \*/

sector\_t (\*bmap)(struct address\_space \*, sector\_t);

void (\*invalidatepage) (struct page \*, unsigned long);

int (\*releasepage) (struct page \*, gfp\_t);

ssize\_t (\*direct\_IO)(int, struct kiocb \*, const struct iovec \*iov,

loff\_t offset, unsigned long nr\_segs);

int (\*get\_xip\_mem)(struct address\_space \*, pgoff\_t, int,

void \*\*, unsigned long \*);

/\* migrate the contents of a page to the specified target \*/

int (\*migratepage) (struct address\_space \*,

struct page \*, struct page \*);

int (\*launder\_page) (struct page \*);

int (\*is\_partially\_uptodate) (struct page \*, read\_descriptor\_t \*,

unsigned long);

int (\*error\_remove\_page)(struct address\_space \*, struct page \*);

\};

writepage: 由VM调用来将一个“脏”页写回到辅存中。这可能是为了数据完整性（如'sync'），或者是为了释放内存（flush）。两者的区别可以由wbc->sync\_mode 来判断。PG\_Dirty被清除并且PageLocked返回true。同步或异步写操作完成时，writepage应该启动writeout，设置PG\_Writeback，并且应该确保页处于解锁状态。

如果wbc->sync\_mode 是WB\_SYNC\_NONE ，则->writepage 在出错的时候不需要一直努力地尝试，如果写回其他页更容易的话（比如，由于内部依赖），它也可以从mapping中选择其他的页来写回。如果他选择不启动writeout，则它应该返回AOP\_WRITEPAGE\_ACTIVATE ，以使VM没有不停地在那个页上调用->writepage 。

更多详情请参考"Locking"文件。

readpage: 由VM调用来从辅存中读取一个页。当readpage调用时，页将被锁定，并且应该在读取结束时，立刻将其解除锁定并标记为uptodate。如果->readpage发现由于某些原因它需要解除锁定页，那么它可以这样做，并在之后返回AOP\_TRUNCATED\_PAGE。这种情况下，页将会被重新定位、重新锁定，如果都能正确完成，则将会再次调用->readpag。

sync\_page: 由VM调用来通知辅存，以为一个页执行所有排队的I/O 操作。与该address\_space 对象相关其他的页的I/O 操作也可能被执行。

这个函数是可选的，它仅仅在等待writeback 完成时对设置了PG\_Writeback 标记的页调用。

writepages: 由VM调用来将与address\_space 对象相关的页写出。如果wbc->sync\_mode 是 WBC\_SYNC\_ALL ，那么writeback\_control将会指定一个必须写出的页的范围。而如果是WBC\_SYNC\_NONE ，则一个nr\_to\_write 将会被传递给它，并且，如果可能的话，应该有许多的页被写出。如果没有->writepages方法，那么将会用mpage\_writepages来代替。这将会从地址空间中选择标记为DIRTY的页，并将它们传递给->writepage。

set\_page\_dirty: 由VM调用来设置一个页为“脏”。这主要在一个address space向一个页加入了私有数据时使用，并且那些数据需要在页被标记为“脏”时更新。比如，它会在一个内存映射的页被改变时调用。

如果定义，则它应该设置基数树结构中的PageDirty 标志（flag）和PAGECACHE\_TAG\_DIRTY 标记（tag）。

readpages: 由VM调用来读取与address\_space 对象相关的页。它本质上只是readpage 的一个向量版本。不同于只有一个页，它用于请求多个页的情况。Readpages仅仅被用于预读。因此忽略读错误。如果有任何错误，则可以随意放弃。

write\_begin: 由通用缓存写代码调用，以使文件系统 准备 在文件给定的偏 移处写入 len 字节。该address\_space应检查写可以完成，通过分配空间，如果需要的话，并做其它的内部处理。如果写将更新存储器上的任何基本块（basic-blocks），那么那些块应给被预读（如果他们还没有被读入），以使那些更新的块可以被适当的写出。

文件系统必须在\*pagep 中给调用者返回锁定了指定偏移量的页缓存的页来写入。

它必须能够应付short writes（即传递给write\_begin的要写入的长度大于复制到页里的字节数的情况）。

flags是一个AOP\_FLAG\_xxx型标志，在include/linux/fs.h描述。

可能在fsdata 返回一个无类型指针，这个指针随后将会被传入write\_end。

成功则放回0，错误在返回负值（错误码），则将不调用write\_end 。

write\_end: 成功地调用write\_begin ，并完成了数据复制之后，则必须调用write\_end 。len是最初传递给write\_begin 的len，copied 参数是可以被复制的数量（如果write\_begin在设置了AOP\_FLAG\_UNINTERRUPTIBLE标志的情况下被调用，则 copied == len总为真）。

文件系统必须注意对页解除锁定，释放它的refcount并更新i\_size。

出错时返回负值，否则返回可以被复制进pagecache的字节数（<= 'copied'）。

bmap: 由VFS调用来将一个对象内的逻辑块偏移量映射为物理块号。这个方法由FIBMAP ioctl使用，并且和swap-files一起工作。为了能够交换文件，文件必须具有到一个块设备的稳定的影视。swap系统不是浏览整个文件系统，而是使用bmap 来查找文件所在的块并直接使用那些地址。

invalidatepage: 如果一个页设置了PagePrivate ，则在部分或全部的页将被移除出（remove）地址空间时调用invalidatepage。这通常对应于一个截断或一个完全无效的地址空间。（后一种情况下则'offset'总为0）。任何与页关联的私有数据应该被更新以反映这种截断。如果offset为0，由于页必须能够被完全丢弃，则私有数据应该被释放。这可能通过调用->releasepage 函数来完成，但是在这种情况下释放**必须**成功。

releasepage: releasepage 在PagePrivate页上调用以标示如果可能就应该释放的页。->releasepage 应该移除页的所有的数据（remove） 并清除PagePrivate 标志。它也可能会从address\_space 中移除（remove）页。如果它由于某些原因而失败，则它可能用0返回值来标示失败。它被用于两种不同但相关的情况中。第一，是当VM发现一个没有活跃用户的页而想要使其成为一个空闲的页时。如果 ->releasepage 成功，则页将会被从address\_space中移除（remove）并成为空闲的。

第二种情形是， 当 要使address\_space 里的一些或全部的页无效的请求发出时。这可以通过fadvice(POSIX\_FADV\_DONTNEED)系统调用或者文件系统作为NFS和9fs通过调用invalidate\_inode\_pages2()来明确的请求（当它们认为缓存与存储器相比可能过期了）。

如果文件系统做了这个调用，则它的releasepage需要确保所有的页是无效的。如果它还不能释放私有数据，可能它可以清除PageUptodate 位。

direct\_IO: 由通用read/write 例程调用来执行直接IO – 即绕过页缓存而直接在存储器和应用程序的地址空间传递数据的IO请求。

get\_xip\_page: 由VM调用来将一个块号转化为一个页。页将保持有效直到相应的文件系统被卸载。想要使用片内执行(execute-in-place， XIP)的文件系统需要实现它。在fs/ext2/xip.c中可以找到一个实现的实例。

migrate\_page: 它被用来压缩对物理内存的使用。如果VM想要重新定位一个页 (maybe off a memory card that is signalling imminent failure)，则它将会传递一个新页和一个旧页给这个函数。migrate\_page 应该为这个页传输所有的私有数据，并更新对这个页的饮用。

launder\_page: 在释放一个页之前调用- 它写回标记为“脏”的页。为了防止该页被重新标记为“脏”，则它将在整个操作期间持有锁。

error\_remove\_page: 如果这个地址空间的truncation is ok ，那么它通常设置为generic\_error\_remove\_page 。用于内存失败处理。除非你锁定它们或者增加它们的引用计数，则设置它意味着你将亲自处理页

Setting this implies you deal with pages going away under you,

unless you have them locked or reference counts increased.

文件对象（The File Object）

==========================

一个文件对象代表进程打开的一个文件。

struct file\_operations

\----------------------

它描述了VFS是如何管理一个打开的文件的。在 kernel 2.6.32.7中，有如下定义:

/\*

\* NOTE:

\* read, write, poll, fsync, readv, writev, unlocked\_ioctl and compat\_ioctl

\* can be called without the big kernel lock held in all filesystems.

\*/

struct file\_operations \{

struct module \*owner;

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 \*);

ssize\_t (\*aio\_read) (struct kiocb \*, const struct iovec \*, unsigned long, loff\_t);

ssize\_t (\*aio\_write) (struct kiocb \*, const struct iovec \*, unsigned long, loff\_t);

int (\*readdir) (struct file \*, void \*, filldir\_t);

unsigned int (\*poll) (struct file \*, struct poll\_table\_struct \*);

int (\*ioctl) (struct inode \*, struct file \*, unsigned int, unsigned long);

long (\*unlocked\_ioctl) (struct file \*, unsigned int, unsigned long);

long (\*compat\_ioctl) (struct file \*, unsigned int, unsigned long);

int (\*mmap) (struct file \*, struct vm\_area\_struct \*);

int (\*open) (struct inode \*, struct file \*);

int (\*flush) (struct file \*, fl\_owner\_t id);

int (\*release) (struct inode \*, struct file \*);

int (\*fsync) (struct file \*, struct dentry \*, int datasync);

int (\*aio\_fsync) (struct kiocb \*, int datasync);

int (\*fasync) (int, struct file \*, int);

int (\*lock) (struct file \*, int, struct file\_lock \*);

ssize\_t (\*sendpage) (struct file \*, struct page \*, int, size\_t, loff\_t \*, int);

unsigned long (\*get\_unmapped\_area)(struct file \*, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

int (\*check\_flags)(int);

int (\*flock) (struct file \*, int, struct file\_lock \*);

ssize\_t (\*splice\_write)(struct pipe\_inode\_info \*, struct file \*, loff\_t \*, size\_t, unsigned int);

ssize\_t (\*splice\_read)(struct file \*, loff\_t \*, struct pipe\_inode\_info \*, size\_t, unsigned int);

int (\*setlease)(struct file \*, long, struct file\_lock \*\*);

\};

再次，除非另有说明，所有的方法均在不持有任何锁的情况下调用。

llseek: 当VFS需要移动文件位置索引（文件指针）时调用。

read: 由read(2)及相关的系统调用调用

aio\_read: 由io\_submit(2)及其他的异步I/O 操作调用。

write: 由write(2)及相关的系统调用调用

aio\_write: 由io\_submit(2)及其他的异步I/O 操作调用。

readdir: 当VFS需要读取目录内容时调用。

poll: 当一个进程想要检查该文件是否活跃并（可选地）进入睡眠状态直到文件活跃 时由VFS调用。由select(2) 及poll(2)系统调用调用。

ioctl: 由系统调用ioctl(2)调用

unlocked\_ioctl: 由系统调用ioctl(2)调用没有请求BKL 的文件系统应该使用这个方法来代替上面的ioctl()。

compat\_ioctl: 32位系统调用运行在64位内核上时由ioctl(2)系统调用调用。

mmap: 由系统调用mmap(2)调用。

open: 当需要打开一个inode时由VFS调用。 VFS打开一个文件时，它创建一个新的"struct file"，然后为新分配的file 结构调用open方法。你可能认为open方法实际上应该放在"struct inode\_operations"里，也许你是对的。我认为它之所以如现在这样工作，是为了使文件系统更容易实现。如果你想要指向一个设备结构体，那么open()方法是一个初始化file 结构体中"private\_data"成员的好地方。

flush: 由系统调用close(2)来刷新（flush）一个文件

release: 当对一个打开文件的最后一个引用关闭时调用。

fsync: 由系统调用fsync(2)调用

fasync: 当一个文件的异步（非阻塞）模式使能时，由系统调用fcntl(2)调用。

lock: 为系统调用fcntl(2)的F\_GETLK, F\_SETLK, 和 F\_SETLKW 命令调用

readv: called by the readv(2) system call

writev: called by the writev(2) system call

sendfile: called by the sendfile(2) system call

get\_unmapped\_area: 有系统调用mmap(2)调用

check\_flags: 为系统调用fcntl(2)的F\_SETFL命令调用。

flock: 由系统调用flock(2)调用

splice\_write: VFS调用来从一个管道接合数据到一个文件，这个方法由系统调用splice(2)使用。

splice\_read: VFS调用来从一个文件中接合数据到一个管道。它由系统调用splice(2)使用。

注意，文件操作由inode所在的特定的文件系统实现。当打开一个设备文件（字符设备或块设备特殊文件）时，大多数文件系统将调用VFS的特殊支持例程，这些例程将定位请求设备的驱动程序信息。这些支持例程也将用设备驱动程序的file operations来代替文件系统的file operations，并为文件调用新的open()方法。这就是文件系统如何打开一个设备文件，它最终以调用设备驱动程序的open()方法结束。

目录项缓存(dcache)

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struct dentry\_operations

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它描述了一个文件系统是如何重载一个标准的dentry operations 。Dentries and 和 dcache 是VFS和独立的文件系统实现的域。设备驱动与此无关。由于他们是可选的或者VFS使用默认的例程，这些方法可能被设为NULL。在kernel2.6.32.7中有如下定义：

struct dentry\_operations \{

int (\*d\_revalidate)(struct dentry \*, struct nameidata \*);

int (\*d\_hash) (struct dentry \*, struct qstr \*);

int (\*d\_compare) (struct dentry \*, struct qstr \*, struct qstr \*);

int (\*d\_delete)(struct dentry \*);

void (\*d\_release)(struct dentry \*);

void (\*d\_iput)(struct dentry \*, struct inode \*);

char \*(\*d\_dname)(struct dentry \*, char \*, int);

\};

d\_revalidate: 当VFS需要使一个dentry重新生效时调用。用名字来在dcache 中查询一个dentry时调用。由于它们在dcache中的所有的dentries 是有效的，大多数文件系统将它设置为NULL。

d\_hash: 当VFS向哈希表中添加一个dentry是调用。

d\_compare: 当一个dentry要和另一个比较时调用

d\_delete: 对于一个dentry的最后的引用解除（delete）时调用。这意味着没有人正在使用这个dentry，但依然是有效的，并依然在dcache中。

d\_release: 当dentry被真正的解除分配时调用。

d\_iput: 当一个dentry丢失了他的inode（在它被释放之前）调用。如果它是NULL，则默认地VFS会调用iput()。如果你定义了这个方法，则你必须自己调用iput()。I

d\_dname: 当需要产生一个dentry的路径名的时候调用。对于某些想要延迟路径名的产生的伪文件系统（sockfs, pipefs, ...）很有用。（不是在dentry创建的时候，而是在需要路径名的时候才产生）。真实的文件系统可能不会使用它，因为它们的dentries 出现在全局的dcache哈希表中，它们的哈希应该是不变量。除非使用适当的SMP安全措施，否则由于没有持有锁，则d\_dname()不应该试着自己去修改dentry 。注意：d\_path()逻辑是相当复杂的。正确的返回 比如"Hello"的方法是将其放在缓冲区的结尾处，然后返回指向第一个字符的指针。dynamic\_dname()辅助函数可被用来处理这一点。Real filesystems probably

例如 :

static char \*pipefs\_dname(struct dentry \*dent, char \*buffer, int buflen)

return dynamic\_dname(dentry, buffer, buflen, "pipe:\[%lu\]",

dentry->d\_inode->i\_ino);

每一个dentry有一个指向它的父dentry的指针，并有一个它的子dentries的列表。子dentries 基本上就像一个目录中的文件。

目录项缓存API（Directory Entry Cache API）

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内核定义了许多函数可以用来管理dentries:

dget: 为一个现有的dentry打开一个新的句柄（它仅仅增加使用计数）。

dput: 为一个dentry 关闭一个句柄（将使用计数减一）。如果使用计数减到0，则调用"d\_delete"方法，并且，如果dentry仍然在它的父哈希列表中时，将dentry放入未使用列表。将dentry放入未使用列表仅仅意味着如果系统需要RAM，它浏览dentries的未使用列表并对dentries解除分配。如果dentry已经unhashed ，并且使用计数减为了0，则在调用了"d\_delete"方法之后要解除分配dentry。

d\_drop: 该函数从dentry的父哈希表中unhashes 一个dentry。如果它的使用计数减为了0，则随后调用的dput()解除分配该dentry。

d\_delete: 删除（delete）一个dentry。如果没有其他的对于该dentry的打开引用，则该dentry将被转换为一个negative dentry（调用d\_iput()方法）。如果还有其他的引用，则调用d\_drop()来代替。

d\_add: 将一个dentry添加进它的父哈希表中，并调用d\_instantiate()。

d\_instantiate: 为inode将一个dentry添加进别名哈希表，并更新"d\_inode"成员。Inode结构体的"i\_count"成员应该被设置/增加计数。如果inode指针为NULL，则dentry被称为"negative dentry"。这个函数通常在 为一个现有的negative dentry 创建一个inode时调用。

d\_lookup: 根据父dentry和路径名来查找一个dentry。它从dcache哈希表中查找与给定名字相同的子dentry。如果找到了，则增加引用计数，并返回dentry。调用者必须在结束使用dentry时使用dput()释放它。

更多关于dentry锁的信息，请参考文档Documentation/ filesystems/ dentry-locking.txt.

挂载选项（Mount Options）

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解析参数（Parsing options）

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在挂载和重挂载（remount）文件系统时，会传递一个含有由逗号分隔的挂载选项的字符串。选项可以具有下列各式之一：

option

option=value

<linux/parser.h>头文件定义一个API以帮助解析这些选项。有许多关于如何在一个现有的文件系统使用它的例子。

Showing options

\---------------

如果一个文件系统接受挂载选项，那么它必须定义show\_options()来显示当前可用的所有的选项。规则是:

\- 非默认的及与默认值不相同的选项必须显示。

\- 默认代开或使用默认值的选项可以显示。

选项仅仅在内部使用，在一个挂载辅助者和内核（比如文件描述符）之间使用，或者只在挂载时（比如控制日志的创建）服从上面的规则。

上述规则的根本原因是为了确保，根据/proc/mounts的信息，可以对一个挂载进行精确的复制（比如，卸载然后重新挂载）。

一个在挂载/重挂载时保存选项并显示他们的方法（method）是提供save\_mount\_options() 和generic\_show\_options()辅助函数。请注意，使用这些可能有不足之处。更多信息，可以参考这些函数在文件fs/namespace.c 中的注释信息。

资源（Resources）

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(注意，有些资源没有随着最新版本的内核而更新。)

Creating Linux virtual filesystems. 2002

<http://lwn.net/Articles/13325/>

The Linux Virtual File-system Layer by Neil Brown. 1999

<http://www.cse.unsw.edu.au/~neilb/oss/linux-commentary/vfs.html>

A tour of the Linux VFS by Michael K. Johnson. 1996

<http://www.tldp.org/LDP/khg/HyperNews/get/fs/vfstour.html>

A small trail through the Linux kernel by Andries Brouwer. 2001

<http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/vfs/trail.html>

后记：

这是linux内核文档中的 Documentation/filesystems/vfs.txt文件的翻译，很好的一个specification，对linux虚拟文件系统中的许多对象都有比较清晰的描述。这个文件最后一次更新是在2007年了，有点老了，自那之后linux虚拟文件系统有变动。说明仍然根据内核文档，但各结构体的定义取的都是较新linux 2.6.32.7版。实在是有好多看不太懂的地方，还请各位多多指教了。