详解Linux中的虚拟文件系统

2019-05-23 07:06 栏目:常见问题 查看()

详解Linux中的虚拟文件系统

虚拟文件系统是一种神奇的抽象,它使得 “一切皆文件” 哲学在 Linux 中成为了可能。

什么是文件系统?根据早期的 Linux 贡献者和作家 Robert Love 所说,“文件系统是一个遵循特定结构的数据的分层存储。” 不过,这种描述也同样适用于 VFAT(虚拟文件分配表

Virtual File Allocation Table

)、Git 和Cassandra(一种 NoSQL 数据库)。那么如何区别文件系统呢?

文件系统基础概念

Linux 内核要求文件系统必须是实体,它还必须在持久对象上实现 open()、read() 和 write() 方法,并且这些实体需要有与之关联的名字。从 面向对象编程 的角度来看,内核将通用文件系统视为一个抽象接口,这三大函数是“虚拟”的,没有默认定义。因此,内核的默认文件系统实现被称为虚拟文件系统(VFS)。

详解Linux中的虚拟文件系统

如果我们能够 open()、read() 和 write(),它就是一个文件,如这个主控台会话所示。

VFS 是著名的类 Unix 系统中 “一切皆文件” 概念的基础。让我们看一下它有多奇怪,上面的小小演示体现了字符设备 /dev/console 实际的工作。该图显示了一个在虚拟电传打字控制台(tty)上的交互式 Bash 会话。将一个字符串发送到虚拟控制台设备会使其显示在虚拟屏幕上。而 VFS 甚至还有其它更奇怪的属性。例如,它可以在其中寻址。

我们熟悉的文件系统如 ext4、NFS 和 /proc 都在名为 file_operations 的 C 语言数据结构中提供了三大函数的定义。此外,个别的文件系统会以熟悉的面向对象的方式扩展和覆盖了 VFS 功能。正如 Robert Love 指出的那样,VFS 的抽象使 Linux 用户可以轻松地将文件复制到(或复制自)外部操作系统或抽象实体(如管道),而无需担心其内部数据格式。在用户空间这一侧,通过系统调用,进程可以使用文件系统方法之一 read() 从文件复制到内核的数据结构中,然后使用另一种文件系统的方法 write() 输出数据。

属于 VFS 基本类型的函数定义本身可以在内核源代码的 fs/*.c 文件 中找到,而 fs/ 的子目录中包含了特定的文件系统。内核还包含了类似文件系统的实体,例如 cgroup、/dev 和 tmpfs,在引导过程的早期需要它们,因此定义在内核的 init/ 子目录中。请注意,cgroup、/dev 和 tmpfs 不会调用 file_operations 的三大函数,而是直接读取和写入内存。

下图大致说明了用户空间如何访问通常挂载在 Linux 系统上的各种类型文件系统。像管道、dmesg 和 POSIX 时钟这样的结构在此图中未显示,它们也实现了 struct file_operations,而且其访问也要通过 VFS 层。

详解Linux中的虚拟文件系统

How userspace accesses various types of filesystems

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