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Linux內(nèi)核在各種不同的文件系統(tǒng)格式之上做了一個(gè)抽象層，使得文件、目錄、讀寫(xiě)訪問(wèn)等概念成為抽象層的概念，因此各種文件系統(tǒng)看起來(lái)用起來(lái)都一樣，這個(gè)抽象層稱(chēng)為虛擬文件系統(tǒng)(VFS，Virtual Filesystem)。

內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Linux內(nèi)核的VFS子系統(tǒng)可以圖示如下：

每個(gè)進(jìn)程在PCB(Process Control Block)中都保存著一份文件描述符表，文件描述符就是這個(gè)表的索引，每個(gè)表項(xiàng)都有一個(gè)指向已打開(kāi)文件的指針，現(xiàn)在我們明確一下：已打開(kāi)的文件在內(nèi)核中用file結(jié)構(gòu)體表示，文件描述符表中的指針指向file結(jié)構(gòu)體。

在file結(jié)構(gòu)體中維護(hù)File Status Flag(file結(jié)構(gòu)體的成員f_flags)和當(dāng)前讀寫(xiě)位置(file結(jié)構(gòu)體的成員f_pos)。在上圖中，進(jìn)程1和進(jìn)程2都打開(kāi)同一文件，但是對(duì)應(yīng)不同的file結(jié)構(gòu)體，因此可以有不同的File Status Flag和讀寫(xiě)位置。file結(jié)構(gòu)體中比較重要的成員還有f_count，表示引用計(jì)數(shù)(Reference Count)，fork等系統(tǒng)調(diào)用會(huì)導(dǎo)致多個(gè)文件描述符指向同一個(gè)file結(jié)構(gòu)體，例如有fd1和fd2都引用同一個(gè)file結(jié)構(gòu)體，那么它的引用計(jì)數(shù)就是2，當(dāng)close(fd1)時(shí)并不會(huì)釋放file結(jié)構(gòu)體，而只是把引用計(jì)數(shù)減到1，如果再close(fd2)，引用計(jì)數(shù)就會(huì)減到0同時(shí)釋放file結(jié)構(gòu)體，這才真的關(guān)閉了文件。

每個(gè)file結(jié)構(gòu)體都指向一個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體的成員都是函數(shù)指針，指向?qū)崿F(xiàn)各種文件操作的內(nèi)核函數(shù)。比如在用戶程序中read一個(gè)文件描述符，read通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核，然后找到這個(gè)文件描述符所指向的file結(jié)構(gòu)體，找到file結(jié)構(gòu)體所指向的file_operations結(jié)構(gòu)體，調(diào)用它的read成員所指向的內(nèi)核函數(shù)以完成用戶請(qǐng)求。在用戶程序中調(diào)用lseek、read、write、ioctl、open等函數(shù)，終都由內(nèi)核調(diào)用file_operations的各成員所指向的內(nèi)核函數(shù)完成用戶請(qǐng)求。file_operations結(jié)構(gòu)體中的release成員用于完成用戶程序的close請(qǐng)求，之所以叫release而不叫close是因?yàn)樗�不一定真的關(guān)閉文件，而是減少引用計(jì)數(shù)，只有引用計(jì)數(shù)減到0才關(guān)閉文件。對(duì)于同一個(gè)文件系統(tǒng)上打開(kāi)的常規(guī)文件來(lái)說(shuō)，read、write等文件操作的步驟和方法應(yīng)該是一樣的，調(diào)用的函數(shù)應(yīng)該是相同的，所以圖中的三個(gè)打開(kāi)文件的file結(jié)構(gòu)體指向同一個(gè)file_operations結(jié)構(gòu)體。如果打開(kāi)一個(gè)字符設(shè)備文件，那么它的read、write操作肯定和常規(guī)文件不一樣，不是讀寫(xiě)磁盤(pán)的數(shù)據(jù)塊而是讀寫(xiě)硬件設(shè)備，所以file結(jié)構(gòu)體應(yīng)該指向不同的file_operations結(jié)構(gòu)體，其中的各種文件操作函數(shù)由該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)。

每個(gè)file結(jié)構(gòu)體都有一個(gè)指向dentry(目錄項(xiàng))結(jié)構(gòu)體的指針，我們傳給open、stat等函數(shù)的參數(shù)是一個(gè)路徑，例如/home/akaedu/a，需要根據(jù)路徑找到文件的inode。為了減少讀盤(pán)次數(shù)，內(nèi)核緩存了目錄的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為dentry cache，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)dentry結(jié)構(gòu)體，只要沿著路徑各部分的dentry搜索即可，從根目錄/找到home目錄，然后找到akaedu目錄，然后找到文件a。dentry cache只保存近訪問(wèn)過(guò)的目錄項(xiàng)，如果要找的目錄項(xiàng)在cache中沒(méi)有，就要從磁盤(pán)讀到內(nèi)存中。

每個(gè)dentry結(jié)構(gòu)體都有一個(gè)指針指向inode結(jié)構(gòu)體。inode結(jié)構(gòu)體中保存著從磁盤(pán)分區(qū)的inode讀上來(lái)信息，例如所有者、inode節(jié)點(diǎn)、文件大小、文件類(lèi)型和權(quán)限位等。我們通過(guò)ln命令創(chuàng)建的硬鏈接就是使不同的dentry中的結(jié)構(gòu)體指針指向同一個(gè)inode結(jié)構(gòu)體而已。每個(gè)inode結(jié)構(gòu)體都有一個(gè)指向inode_operations結(jié)構(gòu)體的指針，后者也是一組函數(shù)指針指向一些完成文件目錄操作的內(nèi)核函數(shù)。和file_operations不同，inode_operations所指向的不是針對(duì)某一個(gè)文件進(jìn)行操作的函數(shù)，而是影響文件和目錄布局的函數(shù)，例如添加刪除文件和目錄、跟蹤符號(hào)鏈接等等，屬于同一文件系統(tǒng)的各inode結(jié)構(gòu)體可以指向同一個(gè)inode_operations結(jié)構(gòu)體。

inode結(jié)構(gòu)體有一個(gè)指向super_block結(jié)構(gòu)體的指針。super_block結(jié)構(gòu)體保存著從磁盤(pán)分區(qū)的超級(jí)塊讀上來(lái)的信息，例如文件系統(tǒng)類(lèi)型、塊大小等。