谈谈linux内核学习:虚拟文件系统(VFS)
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发布时间：2024-09-27 02:56
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时间：2024-10-04 07:45
探索Linux内核深处：虚拟文件系统（VFS）的奥秘
Linux内核中的虚拟文件系统（VFS）是其核心组件，它如同一座桥梁，连接着用户进程与底层文件系统，提供了一致且通用的接口。VFS通过抽象层，将各种复杂性封装为一个标准化的文件模型，使我们能够无缝地在磁盘、网络和特殊文件系统间穿梭。打开文件（open()）、读取（read()）、写入（write()）和关闭（close()）这些操作，都由VFS统一调度和执行。
内核是通过超级块、索引节点、文件对象和目录项对象来管理文件的。超级块存储着文件系统的全局信息，索引节点则像目录，指向文件的物理存储位置。每个文件都有一个唯一的inode号，这是Linux区分文件的身份证，即便是ls命令的显示，也是基于inode号进行的。
Linux通过inode查找文件数据，每个inode记录了权限和属性，标准大小为128字节。文件内容则存储在block中，文件的大小决定了block的使用。区分Windows的软链接与Linux的硬链接和软链接，硬链接是直接指向原始inode，就像物理的文件名，而软链接则更像是一个指向其他文件的快捷方式。当原始文件被删除，硬链接仍然有效，但软链接则会失效。
进程通过VFS对象来操作文件，例如关闭文件时，VFS会负责释放对应的文件对象。在Linux系统中，根文件系统是启动后最先挂载的基石，它承载了系统启动时的初始化脚本和服务部署。
文件系统在系统中通过脚本安装，构建起层次分明的目录结构。当安装单个文件系统时，会创建对应的超级块对象，搜索文件时逐级查找索引节点。VFS的关键数据结构，如超级块、索引节点、文件和目录项对象，都精心设计以提升效率。内核还利用目录项高速缓存，优化了目录查找性能。
fs_struct与files_struct分别记录了进程的根目录、工作目录以及打开的文件信息，这些结构的精细设计确保了文件操作的高效进行。fd_array则负责存储文件对象指针，以控制打开的文件数量。旧版本通过fd字段，而新版本则采用fdtable结构，提供了更灵活的管理方式。
文件描述符是进程与文件系统交互的桥梁，0-2代表标准输入、输出和错误。文件系统注册是初始化的重要步骤，它为文件系统提供了特定的接口并将其安装在目录树上，支持了特殊文件系统的操作，如网络和磁盘文件系统，以及虚拟块设备的分配。
文件系统注册类型通过register_filesystem()进行管理，而文件系统的安装和卸载则涉及到复杂的逻辑，例如根文件系统安装的两阶段过程，以及umount()函数的使用。命名空间机制，如PID、Network等，为进程提供了独立的资源管理和隔离，通过clone和setns系统调用来实现。
总结来说，Linux内核中的VFS、文件系统安装点、进程命名空间的独立性和文件系统的唯一性，共同构建了系统的核心架构。理解这些概念，有助于我们更深入地探索Linux文件系统的世界。
深入理解文件系统层次结构：一个文件系统可以作为其他文件系统的子目录，展示了其嵌套性和灵活性。
安装普通文件系统详解：通过mount()函数，轻松将文件系统挂载到指定位置，实现数据的共享和隔离。
解锁内核的复杂性：大内核锁（BKL）曾是早期Linux的限制，但在现代版本中，它已被更精细的锁机制所取代，提升了内核并发的效率。
根文件系统安装的精髓：从初始化rootfs到实际磁盘文件系统的挂载，每一个步骤都关乎系统的稳定运行。
深入了解这些关键概念，我们不仅能更好地驾驭Linux，还能为更深入的内核研究打下坚实的基础。通过实际操作和系统调用的实践，我们能体验到VFS所带来的高效和便利。
