Linux 가상 파일 시스템의 원리를 자세히 설명-리눅스-php.cn

Unix 세계에는 모든 것이 파일이다라는 고전적인 속담이 있습니다. 이것이 의미하는 바는 유닉스 운영체제에서는 모든 객체가 파일로 취급될 수 있고, 파일 운영을 위한 인터페이스를 사용해 조작할 수 있다는 것이다. Unix와 유사한 운영 체제인 Linux도 이러한 목표를 달성하기 위해 노력하고 있습니다.

가상 파일 시스템 소개

달성하려면 一切皆文件 这个目标，Linux 内核提供了一个中间层：虚拟文件系统（Virtual File System）.

객체 지향 프로그래밍 언어(예: C++/Java 등)를 사용해 본 적이 있다면 이 개념을 잘 알고 있어야 합니다 接口. 가상 파일 시스템은 표준 인터페이스 세트를 정의하는 객체 지향 프로그래밍의 인터페이스와 유사합니다. 개발자는 이 인터페이스 집합을 구현하기만 하면 파일 운영용 인터페이스를 사용하여 개체를 운영할 수 있습니다. 아래 그림과 같이:

위 사진의 파란색 부분이 가상 파일 시스템의 위치입니다.

위 그림에서 볼 수 있듯이 가상 파일 시스템은 상위 계층 애플리케이션에 대한 통합 인터페이스를 제공합니다. 파일 시스템이 가상 파일 시스템의 인터페이스를 구현하는 경우 상위 계층 응용 프로그램은 open()、read() 和 write()와 같은 기능을 사용하여 작동할 수 있습니다.

오늘은 가상 파일 시스템의 원리와 구현에 대해 소개하겠습니다.

가상 파일 시스템의 원리

가상 파일 시스템의 원리를 설명하기 전에 먼저 Java 예제를 소개하겠습니다. 이 Java 예제를 통해 가상 파일 시스템의 원리를 더 쉽게 이해할 수 있습니다.

Java 예제

Java를 사용하여 프로그램을 작성해 본 적이 있다면 가상 파일 시스템을 이해하기 쉬울 것입니다. 우리는 Java의 인터페이스를 사용하여 가상 파일 시스템의 정의를 시뮬레이션합니다.

으아악

위는 VFSFile의 인터페이스, VFSFile 的接口，接口中定义了一些方法，如 open()、read() 和 write() 等。现在我们来定义一个名为 Ext3File 등과 같은 일부 메소드를 정의합니다. 이제 이 인터페이스를 구현하기 위해 #10f5d6c">Ext3File 개체라는 글꼴을 정의해 보겠습니다.

으아악

이제 다음과 같이 VFSFile 接口来操作 Ext3File 개체를 사용할 수 있습니다.

public class Main() {
  public static void main(String[] args) {
    VFSFile file = new Ext3File();
    
    int fd = file.open("/tmp/file.txt", 0);
    ...
  }
}

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从上面的例子可以看出，底层对象只需要实现 VFSFile 接口，就可以使用 VFSFile 接口相关的方法来操作对象，用户完全不需要了解底层对象的实现过程。

虚拟文件系统原理

上面的 Java 例子已经大概说明虚拟文件系统的原理，但由于 Linux 是使用 C 语言来编写的，而 C 语言并没有接口这个概念。所以，Linux 内核使用了一些技巧来模拟接口这个概念。

下面来介绍一下 Linux 内核是如何实现的。

1. file结构

为了模拟接口，Linux 内核定义了一个名为 file 的结构体，其定义如下：

struct file {
    ...
    const struct file_operations *f_op;
    ...
};

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在 file 结构中，最为重要的一个字段就是 f_op，其类型为 file_operations 结构。而 file_operations 结构是由一组函数指针组成，其定义如下：

struct file_operations {
    ...
    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 *);
    ...
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    ...
};

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从 file_operations 结构的定义可以隐约看到接口的影子，所以可以猜想出，如果实现了 file_operations 结构中的方法，应该就能接入到虚拟文件系统中。

在 Linux 内核中，file 结构代表着一个被打开的文件。所以，只需要将 file 结构的 f_op 字段设置成不同文件系统实现好的方法集，那么就能够使用不同文件系统的功能。

这个过程在 __dentry_open() 函数中实现，如下所示：

static struct file *
__dentry_open(struct dentry *dentry, 
              struct vfsmount *mnt, 
              truct file *f, 
              int (*open)(struct inode *, struct file *), 
              const struct cred *cred)
{
    ...
    inode = dentry->d_inode;
    ...
    // 设置file结构的f_op字段为底层文件系统实现的方法集
    f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
    ...
    return f;
}

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设置好 file 结构的 f_op 字段后，虚拟文件系统就能够使用通用的接口来操作此文件了。调用过程如下：

2. file_operations结构

底层文件系统需要实现虚拟文件系统的接口，才能被虚拟文件系统使用。也就是说，底层文件系统需要实现 file_operations 结构中的方法集。

一般底层文件系统会在其内部定义好 file_operations 结构，并且填充好其方法集中的函数指针。如 minix文件系统 就定义了一个名为 minix_file_operations 的 file_operations 结构。其定义如下：

// 文件：fs/minix/file.c

const struct file_operations minix_file_operations = {
    .llseek         = generic_file_llseek,
    .read           = do_sync_read,
    .aio_read       = generic_file_aio_read,
    .write          = do_sync_write,
    .aio_write      = generic_file_aio_write,
    .mmap           = generic_file_mmap,
    .fsync          = generic_file_fsync,
    .splice_read    = generic_file_splice_read,
};

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也就是说，如果当前使用的是 minix 文件系统，当使用 read() 函数读取其文件的内容时，那么最终将会调用 do_sync_read() 函数来读取文件的内容。

3. dentry结构

到这里，虚拟文件系统的原理基本分析完毕，但还有两个非常重要的结构要介绍一下的：dentry 和 inode。

dentry 结构表示一个打开的目录项，当我们打开文件 /usr/local/lib/libc.so 文件时，内核会为文件路径中的每个目录创建一个 dentry 结构。如下图所示：

由于 /usr/local/lib/libc.so 和 /tmp/libc.so 指向同一个文件，所以它们都使用同一个 inode 对象。

inode 结构保存了文件的所有属性值，如文件的创建时间、文件所属用户和文件的大小等。其定义如下所示：

struct inode {
    ...
    uid_t           i_uid;               // 文件所属用户
    gid_t           i_gid;               // 文件所属组
    ...
    struct timespec i_atime;             // 最后访问时间
    struct timespec i_mtime;             // 最后修改时间
    struct timespec i_ctime;             // 文件创建时间
    ...
    unsigned short  i_bytes;             // 文件大小
    ...
    const struct file_operations *i_fop; // 文件操作方法集（用于设置file结构）
    ...
};

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我们注意到 inode 结构有个类型为 file_operations 结构的字段 i_fop，这个字段保存了文件的操作方法集。当用户调用 open() 系统调用打开文件时，内核将会使用 inode 结构的 i_fop 字段赋值给 file 结构的 f_op 字段。我们再来重温下赋值过程：

static struct file *
__dentry_open(struct dentry *dentry, 
              struct vfsmount *mnt, 
              truct file *f, 
              int (*open)(struct inode *, struct file *), 
              const struct cred *cred)
{
    ...
    // 文件对应的inode对象
    inode = dentry->d_inode;
    ...
    // 使用inode结构的i_fop字段赋值给file结构的f_op字段
    f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
    ...
    return f;
}

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