解决的核心问题是什么?
让操作系统内核能够以一种统一且透明的方式与各种不同类型的文件系统进行交互, 同时隐藏底层实现的巨大差异⇒为用户提供一个一致的文件系统接口。
==通过引入虚拟文件系统（VFS） 作为抽象层，内核为所有文件系统定义了一套通用的接口和数据结构，使得应用程序无需关心底层文件系统的具体类型。==
关键步骤 (Key Steps):
- VFS定义了一套通用接口: VFS 在内核中定义了一套通用的文件系统操作接口和数据结构（如
open,read,write）。 - 每个文件系统必须定义自己的实现代码: 每个实际的文件系统（如 EXT4, NTFS）都必须按照 VFS 的接口定义，提供自己的具体实现代码。
- 内核统一调用: 当用户程序调用
write()等系统调用时，内核会调用通用的sys_write()函数。 - 将调用函数分发到后端:
sys_write()找到文件对应的 VFS 抽象层，然后调用该抽象层背后由具体文件系统提供的write方法，最终完成操作。
graph TD subgraph "用户空间" A["应用程序<br/>(调用 write())"] end subgraph "内核空间" B["VFS 层<br/>(通用系统调用: sys_write())"] subgraph "实际文件系统驱动" C["EXT4驱动<br/>(ext4_write)"] D["NTFS驱动<br/>(ntfs_write)"] E["FAT32驱动<br/>(fat_write)"] end end subgraph "物理介质" F("磁盘、SSD、U盘") end A -- "发出 write 请求" --> B B --> C B --> D B --> E C --> F D --> F E --> F
一个实际的例子
以读取一个传感器数据为例
graph TD subgraph "用户空间" A["应用程序<br/>(调用 read() )"] B[("用户内存<br/>(user_buffer)")] end subgraph "内核空间" C["sys_read<br/>(通用系统调用)"] D["设备驱动<br/>(device_read)"] E[("内核缓冲区<br/>(kernel_buffer)")] end subgraph "硬件设备" F("硬件设备<br/>(如传感器)") end A -- "1.read(fd, user_buffer, len)" --> C C -- "2.VFS路由请求" --> D D -- "3.从硬件读取数据" --> F F -- "4.数据流向" --> E E -- "5.copy_to_user()<br/>(安全拷贝)" --> B B -- "6.应用程序处理数据" --> A
对应的代码
// 应用程序代码
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#define SENSOR_DATA_SIZE 10 // 传感器数据大小
int main() {
char user_buffer[SENSOR_DATA_SIZE]; // 应用程序的缓冲区
int fd;
ssize_t bytes_read;
// 1. 用户应用程序调用 C 库的 read() 函数
// 该函数在内部会触发一个系统调用
fd = open("/dev/sensor0", O_RDONLY);
if (fd < 0) {
perror("Failed to open device");
return 1;
}
// 2. 将数据读入用户内存
bytes_read = read(fd, user_buffer, SENSOR_DATA_SIZE); //会触发系统调用
if (bytes_read > 0) {
printf("Read %zd bytes from device: %s\n", bytes_read, user_buffer);
} else {
printf("Failed to read from device.\n");
}
close(fd);
return 0;
}// 内核系统调用层 (sys_read 函数简化版)
// 这是一个通用的入口点，所有 read() 系统调用都会先到这里
long sys_read(int fd, char *user_buffer, size_t count) {
struct file *file_obj;
// 1. 根据文件描述符fd，找到对应的文件对象（struct file）
file_obj = find_file_by_fd(fd);
// 2. VFS 层根据文件类型（这里是字符设备）
// 找到对应的操作函数集（file_operations）
// 并调用其 read 方法
return file_obj->f_op->read(file_obj->f_inode, user_buffer, count, file_obj->f_pos);
}// 设备驱动层 (device_read 函数)
// 这是一个虚构的传感器驱动程序，实现了 read 方法
static ssize_t sensor_read(struct inode *inode, char *user_buffer, size_t count, loff_t *pos) {
// 3. 内核私有缓冲区，用于临时存放从硬件读取的数据
static char kernel_buffer[100];
// 4. 从硬件设备读取数据到内核缓冲区
read_from_sensor_hardware(kernel_buffer, count); //拷贝到内核缓存
// 5. 将数据从内核缓冲区安全地拷贝到用户内存
// 这是最关键的一步，实现了内存隔离和安全检查
if (copy_to_user(user_buffer, kernel_buffer, count)) { //内核缓存拷贝到用户内存
return -EFAULT; // 返回错误码，表示非法地址
}
return count;
}
// 6. 驱动程序注册到 VFS
// 驱动程序在初始化时，会向 VFS 注册其操作函数集
// VFS 会将这个函数集与 /dev/sensor0 设备文件关联起来
struct file_operations sensor_fops = {
.read = sensor_read, //注册的read函数
// ... 其他函数，如 open, write, ioctl ...
};VFS的具体实现方式
==通过定义一组包含数据和函数指针的结构体来模拟面向对象的设计模式，从而实现了高度抽象的通用接口和底层具体实现的解耦。==
关键步骤 (Key Steps):
- VFS定义了四种这样的数据结构体 : VFS 定义了四种主要的通用数据结构（超级块、索引节点、目录项、文件），它们代表了文件系统中的核心概念。
- 为每种结构体定义 操作函数指针: 为每种通用对象定义一个包含函数指针的操作对象（如
super_operations），这相当于面向对象语言中的“接口”或“虚函数表”。 - 具体的实现是由具体文件系统驱动程序自己实现: 实际的文件系统（如EXT4、NTFS）在内核中实现时，会实例化这些对象，并用自己的具体函数（如
ext4_write）来填充操作对象中的函数指针。 - 用户使用的时候, 不需要管内部到底调用哪个函数, 调用抽象出来的函数即可: 内核在操作文件时，只通过 VFS 的通用对象和操作对象接口进行调用，而不关心背后是哪个具体的文件系统在执行。
graph TD subgraph "进程与文件" A["task_struct<br/>(进程描述符)"] B["files_struct<br/>(已打开文件列表)"] end subgraph "VFS 核心对象" C["file<br/>(文件对象)"] D["dentry<br/>(目录项对象)"] E["inode<br/>(索引节点对象)"] F["super_block<br/>(超级块对象)"] end subgraph "操作对象 (V-table)" G["file_operations<br/>(文件操作)"] H["inode_operations<br/>(索引节点操作)"] I["dentry_operations<br/>(目录项操作)"] J["super_operations<br/>(超级块操作)"] end A -- "->files" --> B B -- "->fd[...]" --> C C -- "->f_dentry" --> D D -- "->d_inode" --> E E -- "->i_sb" --> F C -- "->f_op" --> G E -- "->i_op" --> H D -- "->d_op" --> I F -- "->s_op" --> J style A fill:#e6f3ff,stroke:#007bff style B fill:#e6f3ff,stroke:#007bff style C fill:#fff9c4,stroke:#fbc02d style D fill:#c8e6c9,stroke:#388e3c style E fill:#f3e5f5,stroke:#8e24aa style F fill:#f9fbe7,stroke:#cddc39 style G fill:#b2ebf2,stroke:#00acc1 style H fill:#b2ebf2,stroke:#00acc1 style I fill:#b2ebf2,stroke:#00acc1 style J fill:#b2ebf2,stroke:#00acc1
file对象
代表什么：一个进程打开的文件实例。
- 作用：存储进程对该文件的特定操作信息，如当前的读写位置（
f_pos）、访问权限（f_mode）等。 - 比喻：一个读者借阅这本书的记录。每个读者都有自己的借书证和借阅记录，记录了他们看到第几页，以及是否有权限修改。
dentry对象
代表什么: （目录项）：文件的名字和路径
- 比喻: 书名标签 (
dentry)：在不同的书架上，你可能会看到同样的一本书，但它可能被放在不同的主题类别下。每个书架上的书名标签（dentry）都指向那张唯一的索引卡片。 路径查找优化：路径查找是一个非常频繁的操作。dentry作为一个高效的缓存，可以将路径字符串（如my_file）快速地映射到对应的inode，避免了每次都从磁盘读取目录信息。
inode对象
代表什么：文件系统中的文件本身，是唯一的。
- 作用：存储文件元数据（权限、大小、所有者等）和数据在磁盘上的位置。它不包含进程特有的信息。
- 比喻：图书馆里一本独特的书。无论有多少人借阅，这本书都是同一本
多重硬链接（Hard Links）：多个文件名可以指向同一个 inode。这允许你在不同的目录中使用不同的名字来引用同一个文件。例如，你可以创建 /home/user/my_file 和 /etc/configs/my_file，它们都指向同一个 inode，因此它们是同一个文件。如果文件名存储在 inode 中，这将无法实现。
sb对象
进程和VFS之间的关系
graph TD A["task_struct<br/>(进程主体)"] B["mm_struct<br/>(内存身份卡)"] C["files_struct<br/>(文件身份卡 - 已打开文件)"] D["fs_struct<br/>(文件身份卡 - 路径上下文)"] E["mnt_namespace<br/>(文件系统视图)"] F["vm_area_struct<br/>(VMA, 内存区域)"] G["struct file<br/>(文件对象)"] A -- "->mm" --> B A -- "->files" --> C A -- "->fs" --> D A -- "->nsproxy" --> E B -- "管理" --> F C -- "包含" --> G F -- "可能关联" --> G G -- "指向" --> H[VFS层核心对象]
clone函数
CLONE_FILES:clone()标志，使父子进程共享files_struct。CLONE_FS:clone()标志，使父子进程共享fs_struct。CLONE_NEWNS:clone()标志，使子进程拥有一个独立的namespace。