3. VFS

Linux 支持各种各样的文件系统格式，如 ext2、ext3、reiserfs、FAT、NTFS、iso9660 等等，不同的磁盘分区、光盘或其它存储设备都有不同的文件系统格式，然而这些文件系统都可以 mount 到某个目录下，使我们看到一个统一的目录树，各种文件系统上的目录和文件我们用 ls 命令看起来是一样的，读写操作用起来也都是一样的，这是怎么做到的呢？Linux 内核在各种不同的文件系统格式之上做了一个抽象层，使得文件、目录、读写访问等概念成为抽象层的概念，因此各种文件系统看起来用起来都一样，这个抽象层称为虚拟文件系统（VFS，Virtual Filesystem）。上一节我们介绍了一种典型的文件系统在磁盘上的存储布局，这一节我们介绍运行时文件系统在内核中的表示。

3.1. 内核数据结构

Linux 内核的 VFS 子系统可以图示如下：

图 29.8. VFS

在 第 28 章 文件与 I/O 中讲过，每个进程在 PCB（Process Control Block）中都保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每个表项都有一个指向已打开文件的指针，现在我们明确一下：已打开的文件在内核中用 file 结构体表示，文件描述符表中的指针指向 file 结构体。

在 file 结构体中维护 File Status Flag（ file 结构体的成员 f_flags ）和当前读写位置（ file 结构体的成员 f_pos ）。在上图中，进程 1 和进程 2 都打开同一文件，但是对应不同的 file 结构体，因此可以有不同的 File Status Flag 和读写位置。 file 结构体中比较重要的成员还有 f_count ，表示引用计数（Reference Count），后面我们会讲到， dup 、 fork 等系统调用会导致多个文件描述符指向同一个 file 结构体，例如有 fd1 和 fd2 都引用同一个 file 结构体，那么它的引用计数就是 2，当 close(fd1) 时并不会释放 file 结构体，而只是把引用计数减到 1，如果再 close(fd2) ，引用计数就会减到 0 同时释放 file 结构体，这才真的关闭了文件。

每个 file 结构体都指向一个 file_operations 结构体，这个结构体的成员都是函数指针，指向实现各种文件操作的内核函数。比如在用户程序中 read 一个文件描述符， read 通过系统调用进入内核，然后找到这个文件描述符所指向的 file 结构体，找到 file 结构体所指向的 file_operations 结构体，调用它的 read 成员所指向的内核函数以完成用户请求。在用户程序中调用 lseek 、 read 、 write 、 ioctl 、 open 等函数，最终都由内核调用 file_operations 的各成员所指向的内核函数完成用户请求。 file_operations 结构体中的 release 成员用于完成用户程序的 close 请求，之所以叫 release 而不叫 close 是因为它不一定真的关闭文件，而是减少引用计数，只有引用计数减到 0 才关闭文件。对于同一个文件系统上打开的常规文件来说， read 、 write 等文件操作的步骤和方法应该是一样的，调用的函数应该是相同的，所以图中的三个打开文件的 file 结构体指向同一个 file_operations 结构体。如果打开一个字符设备文件，那么它的 read 、 write 操作肯定和常规文件不一样，不是读写磁盘的数据块而是读写硬件设备，所以 file 结构体应该指向不同的 file_operations 结构体，其中的各种文件操作函数由该设备的驱动程序实现。

每个 file 结构体都有一个指向 dentry 结构体的指针，“dentry”是 directory entry（目录项）的缩写。我们传给 open 、 stat 等函数的参数的是一个路径，例如 /home/akaedu/a ，需要根据路径找到文件的 inode。为了减少读盘次数，内核缓存了目录的树状结构，称为 dentry cache，其中每个节点是一个 dentry 结构体，只要沿着路径各部分的 dentry 搜索即可，从根目录 / 找到 home 目录，然后找到 akaedu 目录，然后找到文件 a 。dentry cache 只保存最近访问过的目录项，如果要找的目录项在 cache 中没有，就要从磁盘读到内存中。

每个 dentry 结构体都有一个指针指向 inode 结构体。 inode 结构体保存着从磁盘 inode 读上来的信息。在上图的例子中，有两个 dentry，分别表示 /home/akaedu/a 和 /home/akaedu/b ，它们都指向同一个 inode，说明这两个文件互为硬链接。 inode 结构体中保存着从磁盘分区的 inode 读上来信息，例如所有者、文件大小、文件类型和权限位等。每个 inode 结构体都有一个指向 inode_operations 结构体的指针，后者也是一组函数指针指向一些完成文件目录操作的内核函数。和 file_operations 不同， inode_operations 所指向的不是针对某一个文件进行操作的函数，而是影响文件和目录布局的函数，例如添加删除文件和目录、跟踪符号链接等等，属于同一文件系统的各 inode 结构体可以指向同一个 inode_operations 结构体。

inode 结构体有一个指向 super_block 结构体的指针。 super_block 结构体保存着从磁盘分区的超级块读上来的信息，例如文件系统类型、块大小等。 super_block 结构体的 s_root 成员是一个指向 dentry 的指针，表示这个文件系统的根目录被 mount 到哪里，在上图的例子中这个分区被 mount 到 /home 目录下。

file 、 dentry 、 inode 、 super_block 这几个结构体组成了 VFS 的核心概念。对于 ext2 文件系统来说，在磁盘存储布局上也有 inode 和超级块的概念，所以很容易和 VFS 中的概念建立对应关系。而另外一些文件系统格式来自非 UNIX 系统（例如 Windows 的 FAT32、NTFS），可能没有 inode 或超级块这样的概念，但为了能 mount 到 Linux 系统，也只好在驱动程序中硬凑一下，在 Linux 下看 FAT32 和 NTFS 分区会发现权限位是错的，所有文件都是 rwxrwxrwx ，因为它们本来就没有 inode 和权限位的概念，这是硬凑出来的。

3.2. dup 和 dup2 函数

dup 和 dup2 都可用来复制一个现存的文件描述符，使两个文件描述符指向同一个 file 结构体。如果两个文件描述符指向同一个 file 结构体，File Status Flag 和读写位置只保存一份在 file 结构体中，并且 file 结构体的引用计数是 2。如果两次 open 同一文件得到两个文件描述符，则每个描述符对应一个不同的 file 结构体，可以有不同的 File Status Flag 和读写位置。请注意区分这两种情况。

#include <unistd.h>

int dup(int oldfd);
int dup2(int oldfd, int newfd);

如果调用成功，这两个函数都返回新分配或指定的文件描述符，如果出错则返回 -1。 dup 返回的新文件描述符一定该进程未使用的最小文件描述符，这一点和 open 类似。 dup2 可以用 newfd 参数指定新描述符的数值。如果 newfd 当前已经打开，则先将其关闭再做 dup2 操作，如果 oldfd 等于 newfd ，则 dup2 直接返回 newfd 而不用先关闭 newfd 再复制。

下面这个例子演示了 dup 和 dup2 函数的用法，请结合后面的连环画理解程序的执行过程。

例 29.2. dup 和 dup2 示例程序

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    int fd, save_fd;
    char msg[] = "This is a test\n";

    fd = open("somefile", O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd < 0) {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    save_fd = dup(STDOUT_FILENO);
    dup2(fd, STDOUT_FILENO);
    close(fd);
    write(STDOUT_FILENO, msg, strlen(msg));
    dup2(save_fd, STDOUT_FILENO);
    write(STDOUT_FILENO, msg, strlen(msg));
    close(save_fd);
    return 0;
}

图 29.9. dup/dup2 示例程序

重点解释两个地方：

• 第 3 幅图，要执行 dup2(fd, 1); ，文件描述符 1 原本指向 tty ，现在要指向新的文件 somefile ，就把原来的关闭了，但是 tty 这个文件原本有两个引用计数，还有文件描述符 save_fd 也指向它，所以只是将引用计数减 1，并不真的关闭文件。
• 第 5 幅图，要执行 dup2(save_fd, 1); ，文件描述符 1 原本指向 somefile ，现在要指向新的文件 tty ，就把原来的关闭了， somefile 原本只有一个引用计数，所以这次减到 0，是真的关闭了。