VFS 虚拟文件系统

VFS是linux 与具体的文件系统之间的标准接口，使得linux对各种文件形式都有一个很好的兼容性。
文件对象 file 和目录项对象 dentry在磁盘中没有映像，没有脏数据属性每次打开文件的时候，动态创建。而索引节点在磁盘上有映像。对文件的改动，是通过把文件具体内容所在的页，写回磁盘实现的(写时复制)。
Linux内核能够发现真实的文件系统，那么必须先使用 register_filesystem() 函数注册文件系统

 //文件系统的类型
struct file_system_type {
	const char *name;
	int fs_flags;
#define FS_REQUIRES_DEV		1 
#define FS_BINARY_MOUNTDATA	2
#define FS_HAS_SUBTYPE		4
#define FS_USERNS_MOUNT		8	/* Can be mounted by userns root */
#define FS_DISALLOW_NOTIFY_PERM	16	/* Disable fanotify permission events */
#define FS_ALLOW_IDMAP         32      /* FS has been updated to handle vfs idmappings. */
#define FS_THP_SUPPORT		8192	/* Remove once all fs converted */
#define FS_RENAME_DOES_D_MOVE	32768	/* FS will handle d_move() during rename() internally. */
	int (*init_fs_context)(struct fs_context *);
	const struct fs_parameter_spec *parameters;
	struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
		       const char *, void *);
	void (*kill_sb) (struct super_block *);
	struct module *owner;
	struct file_system_type * next;
	struct hlist_head fs_supers;
................................
}

挂载点

mount 和vfsmount 以及spuer_block的关系 ```c

struct mount { struct hlist_node mnt_hash; struct mount mnt_parent;//装载点所在的父文件系统 struct dentry *mnt_mountpoint;//父文件系统的dentry struct vfsmount mnt;//vfs中有指针指向super_block union { struct rcu_head mnt_rcu; struct llist_node mnt_llist; }; #ifdef CONFIG_SMP struct mnt_pcp __percpu *mnt_pcp; #else int mnt_count; int mnt_writers; #endif struct list_head mnt_mounts; / list of children, anchored here / struct list_head mnt_child; / and going through their mnt_child / struct list_head mnt_instance; / mount instance on sb->s_mounts / const char *mnt_devname; / Name of device e.g. /dev/dsk/hda1 / struct list_head mnt_list; struct list_head mnt_expire; / link in fs-specific expiry list / struct list_head mnt_share; / circular list of shared mounts / struct list_head mnt_slave_list;/ list of slave mounts / struct list_head mnt_slave; / slave list entry / struct mount *mnt_master; / slave is on master->mnt_slave_list / struct mnt_namespace *mnt_ns; / containing namespace / struct mountpoint *mnt_mp; / where is it mounted / union { struct hlist_node mnt_mp_list; / list mounts with the same mountpoint / struct hlist_node mnt_umount; }; struct list_head mnt_umounting; / list entry for umount propagation / #ifdef CONFIG_FSNOTIFY struct fsnotify_mark_connector __rcu *mnt_fsnotify_marks; __u32 mnt_fsnotify_mask; #endif int mnt_id; / mount identifier / int mnt_group_id; / peer group identifier / int mnt_expiry_mark; / true if marked for expiry */ struct hlist_head mnt_pins; struct hlist_head mnt_stuck_children; } __randomize_layout;

struct vfsmount { struct dentry mnt_root; / root of the mounted tree / struct super_block *mnt_sb; / pointer to superblock */ int mnt_flags; struct user_namespace *mnt_userns; } __randomize_layout;

### super_block
1. VFS 定义了一个名为 超级块（super_block)的数据结构来描述具体的文件系统，
内核是通过超级块来认知具体的文件系统的，一个具体的文件系统会对应一个超级块结构
2. 每个装载点mount对应着一个super_block,虽然可能两个装载点的文件系统类型相同，但是两个装载点在不同的分区上

```c
//具体的文件系统描述符
struct super_block {
	struct list_head	s_list;		/* Keep this first */
	dev_t			s_dev;		/* search index; _not_ kdev_t */
	unsigned char		s_blocksize_bits;
	unsigned long		s_blocksize;
	loff_t			s_maxbytes;	/* Max file size */
	struct file_system_type	*s_type;//文件系统的类型，提供您读取super_block的方法
	const struct super_operations	*s_op;//文件系统相关的操作集合
	const struct dquot_operations	*dq_op;
	const struct quotactl_ops	*s_qcop;
	const struct export_operations *s_export_op;
	unsigned long		s_flags;

  .................................
}

目录项 dentry

目录项的主要作用是方便查找文件。一个路径的各个组成部分，不管是目录还是普通的文件，都是一个目录项对象
在打开文件的时候动态的创建dentry对象，并缓存到内存的目录项缓存，并没有实际对应的磁盘上的描述,为了快速查找，也就是只有打开文件的目录有dentry实例

struct dentry {
    ....................
    struct inode  * d_inode;    // 目录项对应的inode
    struct dentry * d_parent;   // 当前目录项对应的父目录
    ...................
    struct qstr d_name;         // 目录的名字，qstr是内核的一个字符包装器，是一个char*的指针和长度
    unsigned long d_time;
    struct dentry_operations  *d_op; // 目录项的辅助方法
    struct super_block * d_sb;       // 所在文件系统的超级块对象
    ...
    union {
		struct list_head d_lru;		/* LRU list 所有未使用的dentry链接形成LRU链表，适当的时候删除*/
		// 未使用目录项对象驻留内存的高速缓冲LRU双向链表中，最近最少使用的项在链表的尾部,
                //当目录项高速缓存不足，链表表尾删除元素。


		wait_queue_head_t *d_wait;	/* in-lookup ones only */
	};
    unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; // 当目录名不超过16个字符时使用
    ................................
};


static unsigned int d_hash_shift __read_mostly;
//内存中的所有dentry实例都保存到dentry_hashtable hash表中，使用d_hash解决hash冲突
static struct hlist_bl_head *dentry_hashtable __read_mostly;

static inline struct hlist_bl_head *d_hash(unsigned int hash)
{
	return dentry_hashtable + (hash >> d_hash_shift);
}





static DEFINE_PER_CPU(long, nr_dentry);

//所有未使用的dentry(引用计数d_count = 0)的对象都放到nr_dentry_unused链表中
static DEFINE_PER_CPU(long, nr_dentry_unused);
static DEFINE_PER_CPU(long, nr_dentry_negative);

inode索引节点

索引节点（inode）是 VFS 中最为重要的一个结构，用于描述一个文件的meta（元）信息，其包含的是诸如文件的大小、拥有者、创建时间、磁盘位置等和文件相关的信息，所有文件都有一个对应的 inode 结构

struct inode {
	umode_t			i_mode;
	unsigned short		i_opflags;
	kuid_t			i_uid;
	kgid_t			i_gid;
	unsigned int		i_flags;

#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
	struct posix_acl	*i_acl;
	struct posix_acl	*i_default_acl;
#endif

	const struct inode_operations	*i_op;//i_op 成员定义对目录相关的操作方法列表
	struct super_block	*i_sb;
	struct address_space	*i_mapping;

#ifdef CONFIG_SECURITY
	void			*i_security;
#endif

	/* Stat data, not accessed from path walking */
	unsigned long		i_ino;
	/*
	 * Filesystems may only read i_nlink directly.  They shall use the
	 * following functions for modification:
	 *
	 *    (set|clear|inc|drop)_nlink
	 *    inode_(inc|dec)_link_count
	 */
	union {
		const unsigned int i_nlink;
		unsigned int __i_nlink;
	};
	dev_t			i_rdev;
	loff_t			i_size;
u16			i_wb_frn_avg_time;
	u16			i_wb_frn_history;
#endif
...........................................................
#if defined(CONFIG_IMA) || defined(CONFIG_FILE_LOCKING)
	atomic_t		i_readcount; /* struct files open RO */
#endif
	union {
		const struct file_operations	*i_fop;	/* former ->i_op->default_file_ops */
    ///i_fop 成员则定义了对打开文件后对文件的操作方法列表
		void (*free_inode)(struct inode *);
	};

文件 file

文件结构用于描述一个已打开的文件，其包含文件当前的读写偏移量，文件打开模式和文件操作函数列表等
一个(64位系统)进程默认可以打开64个文件. ```c struct file { union { struct llist_node fu_llist; struct rcu_head fu_rcuhead; } f_u; struct path f_path;//路径 struct inode f_inode; / cached value */所属的索引节点 const struct file_operations *f_op；//文件操作

/*
- Protects f_ep, f_flags.
- Must not be taken from IRQ context. */ spinlock_t f_lock; enum rw_hint f_write_hint; atomic_long_t f_count;//文件引用计数 unsigned int f_flags;//标志位 fmode_t f_mode;//打开模式 struct mutex f_pos_lock; loff_t f_pos;//读写偏移量 struct fown_struct f_owner;//所属者信息 const struct cred *f_cred; struct file_ra_state f_ra;//保存预读相关的特征信息 ……………………………. }

struct fdtable { //初始化的时候指向files_struct中相应的成员变量

unsigned int max_fds;	
struct file __rcu **fd;      /* current fd array */
unsigned long *close_on_exec;
unsigned long *open_fds;
unsigned long *full_fds_bits;
struct rcu_head rcu; }; //fdtable->fd 通常指向 files_struct->fd_array，该数组的索引就是文件描述符 //通常第一个元素（索引为 0）时进程的标准输入文件，第二个是标准输出文件（索引为 1），第三个是标准错误文件（索引为 2）

struct task_struct {

/* Filesystem information: */
struct fs_struct		*fs;

/* Open file information: */
struct files_struct		*files;

}

Open file table structure / struct files_struct { /
- read mostly part */ atomic_t count; bool resize_in_progress; wait_queue_head_t resize_wait;
struct fdtable __rcu fdt; struct fdtable fdtab; /
- written part on a separate cache line in SMP */ spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp; unsigned int next_fd;//下一次打开新文件是使用的文件描述 unsigned long close_on_exec_init[1];//exec时关闭文件描述符位图 unsigned long open_fds_init[1];//打开文件描述符位图 unsigned long full_fds_bits_init[1]; struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];//指向进程打开的file的指针数组(数组默认大小64) //如果进程打开的文件大于64个，使用fs/file.c中的expand_files(）函数扩展整个fd_array数组以及相关的位图大小(新建数据结构，把原来的数据复制过去) };

struct fs_struct { int users; spinlock_t lock; seqcount_spinlock_t seq; int umask;//掩码，用于设置新的文件权限 int in_exec; struct path root, pwd;//指定了根目录和当前工作目录 } __randomize_layout;

### 进程的命名空间 
- 参考：https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/51383322
1. PID,IPC,Network等系统资源不再是全局性的，而是属于特定的Namespace。
每个Namespace里面的资源对其他Namespace都是透明的。**要创建新的Namespace，
只需要在调用clone时指定相应的flag标志CLONE_NEWNS**。Linux Namespaces机制为实现基于容器的虚拟
化技术提供了很好的基础，LXC（Linux containers）就是利用这一特性实现了资源的隔离。
不同Container内的进程属于不同的Namespace，彼此透明，互不干扰.

### 文件系统的安装
1. 一个文件系统可以被安装n次，可以通过n个安装点进行访问，但是一种文件系统在同一个安装点只有一个super_block
对象,一个文件系统可以有几个super_block对象，不同的分区（home 和root）
2. 同一个安装点的文件系统可以覆盖，已经使用的先前安装下的文件和目录的进程可以继续使用。


```c
//挂载的操作使用系统调用mount
            mount()
		      |
	      do_mount()
		     |
		path_mount()
		  |
         do_new_mount（）
   
//卸载操作
         umount()
	       |
	   ksys_umount()
	      |
	   path_umount()
	     |
	  do_umount()

伪文件系统

伪文件系统从内核数据结构包含的信息生成文件内容，以文件系统的方式为访问系统内核数据的操作提供接口。
伪文件系统不代表真实的物理设备,内核提供了装载标志MS_NOUSER，使伪文件系统不可装载.比如sysfs ，proc就是伪文件系统。
有些文件系统是可以读写的，sysctl 命令专用于查看或设定 /proc/sys 目录下参数的值，能修改的就是 /proc/sys 目录下的参数。
伪文件系统的作用是对一些操作系统中的元素进行封装，和普通的文件统一接口，如块设备bdevfs，管道文件pipefs，套接字socketfs等。通过这种方式的统一封装，才实现了Linux一切皆文件的思想