Linux文件系统（三）-由表及里

导言：

   在Linux文件系统设计中，有两个统一：

  1）不管文件还是设备，都统一看做文件。  

  2）在第一个统一的基础上，不管文件还是设备，都调用统一的系统调用，如open(),close()等

  以上的统一，隐藏了不同文件系统，不同文件以及不同设备的差异，这是建立在对这些对象高度抽象的基础上的。另一方面，逐层剥离，由表及里，可以触及到各个具体文件系统的真相，从而真正理解为什么file_operation是所有设备文件的接口。

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  虚拟文件系统所提供的抽象界面主要由一组标准的、抽象的操作构成，例如read()、write()、lseek等，这些函数以系统调用的形式供用户程序调用。这样，用户程序调用这些系统调用时，根本无需关心所操作的文件属于哪个文件系统，这个文件系统是怎样设计和实现的。

Linux 内核中，VFS与具体文件系统的关系如图1 所示

              图1  VFS与具体文件系统之间的关系

Linux 的目录建立了一棵根目录为“ /  ”的树。根目录包含在 根文件系统 中，在 Linux  中，这个根文件系统通常就是 Ext2 或Ext3 类型。其他所有的文件系统都可以被“安装”在根文件系统的子目录中。 例如，用户可以通过“mount”命令，将DOS格式的磁盘分区（即FAT文件系统）安装到Linux系统中，然后，用户就可以像访问Ext2或Ext3文件一样访问DOS的文件。

例如：假设用户输入以下shell命令：

$ cp /mnt/dos/TEST /tmp/test

其中 /mnt/dos 是 DOS 磁盘的一个安装点，而 /tmp 是一个标准的第三扩展文件系统（ Ext3）的目录。 如图1所示,  VFS 是用户的应用程序与具体文件系统之间的抽象层。因此， cp 程序并不需要知道 /floppy/TEST 和 /tmp/test是什么文件系统类型。相反, cp 程序通过系统调用直接与VFS交互。cp 所执行的代码片段如下：

inf=open( “ /mnt/dos/TEST ” ,O_RDONLY,O);

outf=open( “ /tmp/test ” ,O_WRONLY|O_CREATE|O_TRUNC,0600);

do{

   l=read(inf,buf,4096);

   write(outf,buf,l);

}while(l);

为了进一步理解图1，结合上面的程序片段，我们来说明内核如何把对read( )转换为专对DOS文件系统自己的read（）调用。

应用程序对read( )的调用引起内核调用sys_read( )，这完全与其他系统调用类似。

asmlinkage  ssize_t sys_read(unsigned int fd, char * buf, size_t count)

{

     ssize_t  ret;

  …

    if  (file->f_op && (read = file->f_op->read) != NULL)

文件在内核中是由一个file数据结构来表示的：

struct file{

  …

struct file_operation  *f_op;

…

｝

该数据结构中包含一个称为f_op的域，该域的类型为file_operation结构。该结构包含指向各种函数的指针，例如：

struct file_operation {

  …

  ssize_t(*read)();

  ssize_t(*write)();

  int (*open)();

  int (*close)();

  …

};

每种文件系统都有自己的file_operation结构,结构中的域几乎全是函数指针。因此，当应用程序调用read( )系统调用时，就会陷入内核而调用sys_read( )，而sys_read( )通过file结构中的指针f_op就会调用DOS文件系统的read()：

file->f_op->read(...);

与之类似，write( ) 操作也会引发一个与输出文件相关的  Ext3 （而不是DOS文件系统）写函数的执行。

由此可以看出，如果把内核比拟为 PC 机中的“母板”，把 VFS 比拟为“母板”上的一个“插槽”，那么，每个具体的文件系统就好像一块块“接口卡”。不同的接口卡上有不同的电子线路，但是，它们与插槽的连接有几条线，每条线做什么有明确的定义。同样，不同的文件系统通过不同的程序来实现其各种功能，但是，与 VFS 之间的界面则是有明确定义的。这个界面就是 file_operation() 结构。