Linux中的文件系统

Linux文件系统的设计初衷

Linux操作系统中，有个很显著的特点就是：所有的IO对象都被抽象为文件，如果要进行IO操作，那么则通过调用Linux的虚拟文件系统提供的`open` 、`write `、`read`一系列接口，来到具体的IO块设备中使用设备驱动来实现。总而言之，就是Linux提供了一个内核层的软件，即虚拟文件系统，来提供所有的IO操作。

Linux虚拟文件系统支持的文件系统

磁盘文件系统

磁盘文件系统是用来管理本地磁盘的存储空间，或者其他可以起到磁盘作用的存储设备(U盘)。

Linux可以很好的支持对各种类型的文件系统的磁盘的访问，比如Linux使用的Ex4（第四拓展文件系统），Windows使用的NTFS以及 UNIX家族的各种操作系统

网络文件系统

网络文件系统是一种通过 VFS 把远程存储挂载到本地目录树的技术，本质是“文件系统驱动 + 网络协议”，它让应用像操作本地文件一样去读写远程数据。常见的RPC技术就是访问远程的网络文件系统的方式

特殊文件系统

特殊文件系统是 Linux 内核中不依赖磁盘的文件系统实现，它通过 VFS 提供统一的文件操作接口，但数据直接来自内存或内核数据结构，常用于系统信息、配置接口和临时存储。

常见的特殊文件系统介绍：

名称	挂载点	功能
procfs	/proc	提供进程、内核状态信息（/proc/cpuinfo、/proc/meminfo）
sysfs	/sys	反映内核对象（设备、驱动、总线等）的层次结构
tmpfs	任意挂载点（常见 /run、/dev/shm）	内存中的临时存储，可当 RAM Disk 用
devtmpfs	/dev	自动创建设备节点
sockfs	内核内部使用	为 socket 提供 VFS 接口
pipefs	内核内部使用	管道/匿名管道实现
configfs	/sys/kernel/config	允许用户空间创建和配置内核对象

虚拟文件系统中的数据结构

superblock

超级块是存放在磁盘上文件系统开头的一小块（通常在引导块之后），同时内存中也会有一份副本用于运行时访问。它是文件系统的“元信息（metadata）”，描述了整个文件系统的布局和关键参数。内核在挂载（mount）文件系统时，会读取超级块，将里面的参数加载到内存，用来指导后续的目录、inode、数据块的管理。

superblock 的主要内容：

• 文件系统基本信息

  • 魔数（magic number）：标识文件系统类型，防止挂载错误的分区。
  • 文件系统大小：总共有多少块（blocks）。
  • block 大小（一般 1KB、2KB、4KB）。
  • inode 总数。

• 文件系统布局信息

  • inode 表起始位置、数量。
  • 数据块区域起始位置、数量。
  • 位图（block bitmap / inode bitmap）位置。

• 一致性与日志相关信息

  • log 区域（用于 journaling 文件系统，比如 ext3/ext4 的 journal）。
  • 最近挂载时间、写入时间。
  • 是否被 cleanly unmount。

• 运行时信息（仅内存态 superblock 保存）

  • 挂载点引用计数。
  • 指向 inode 缓存、dentry 缓存的指针。
  • 同步/锁机制。

简单地说，superblock 就是文件系统的“元信息控制中心”，它告诉操作系统如何解释磁盘上的数据，确保文件系统能被正确挂载、管理和维护。

索引节点对象（inode）

inode是文件系统中用来描述一个文件的 元数据结构 。每一个文件（普通文件、目录、符号链接、设备文件等）都有一个 inode。inode 不存储文件名 ，而是存储文件的属性和指向数据块的指针。

inode 中包含的主要信息

• 文件属性（metadata）
• 文件类型（普通文件、目录、符号链接、字符设备、块设备…）
• 权限（rwx）
• 所属用户 ID (UID)、组 ID (GID)
• 文件大小（bytes）
• 时间戳（atime/mtime/ctime）
• 链接计数（多少个目录项指向该 inode）
• 数据块位置
• 直接块指针 （direct blocks）：直接指向数据块。
• 间接块指针 （indirect blocks）：指向一个块，这个块里再存放更多数据块地址。
• 二级/三级间接块指针 （large file 才需要）。

文件对象（file）

在 Linux 内核中，文件对象（file object） 就是 struct file 结构体。它并不是“磁盘上的实体”，而是 进程在打开文件时，内核为该打开实例创建的内存对象 。可以说，文件对象是站在进程的角度所设计出来的，它表示进程打开该文件的一次实例（动态的，运行时信息）

file中包含的主要信息

• 路径 & inode

  • f_path：指向 dentry（目录项）和挂载点，用于路径解析
  • f_inode：快速访问 inode（文件的元数据）

• 操作方法

  • f_op：指向一组函数指针（struct file_operations），定义了 read/write/ioctl/mmap 等操作的具体实现
  • 不同文件系统会注册自己的操作集，比如 ext4、procfs、sockfs

• 运行时状态

  • f_flags：打开时传入的 flag（如 O_APPEND、O_NONBLOCK）
  • f_mode：读写模式（FMODE_READ, FMODE_WRITE）
  • f_pos：文件读写指针（当前偏移量）

• 引用计数和同步

  • f_count：多少个 fd 指向这个 file 对象（dup、fork 时会增加）
  • f_lock：保护并发访问

• 缓存和私有数据

  • f_mapping：指向页缓存，用于文件和内存的映射
  • private_data：给具体文件系统或设备驱动使用（例如 socket 就会存 socket 的内部结构体）

有时候很容易混淆inode和file，简而言之，inode 描述文件是什么，file 描述“我这次打开它怎么用”

目录项对象（dentry）

dentry（directory entry，目录项对象） 是 VFS 用来表示 路径名的一部分（目录项） 的内存对象。它的作用是把 文件名 和 inode 关联起来。需要注意的是：磁盘上存储目录项地方是目录文件的数据块，内存中对应的运行时抽象就是 dentry。

dentry中包含的主要信息

• 名字信息

  • d_name：文件名（含长度和哈希值，便于快速查找）
  • d_parent：指向父目录的 dentry（形成目录树）

• 层级关系

  • d_subdirs：子目录链表
  • 支持在内存里维护完整的目录树结构

• 关联文件系统对象

  • d_inode：指向对应的 inode
  • d_sb：指向所属的超级块

• 缓存与引用

  • d_hash：放入哈希表（dcache）中，用于快速查找路径
  • d_count：引用计数（多少个进程/内核对象正在用这个 dentry）
  • d_flags：标记 dentry 状态（是否有效、是否负向等）

目录项缓存(dentry cache ，简称 dcache)

dcache是 Linux VFS（虚拟文件系统）中非常重要的一部分。它的主要作用是： 加速路径名解析，避免重复的磁盘访问和 inode 查找 。

目录项缓存的作用

• 路径名到 inode 的快速映射
  • dentry 保存了目录名（比如 docs）与其对应 inode 的关系。
  • 下次访问相同路径时可以直接从缓存获取 inode，而不用重新从磁盘读取。
• 加速路径解析
  • 路径解析是逐级查找的，dcache 缓存了父目录到子目录/文件的映射，避免重复查找。
  • 例如多次访问 /home/user/docs/，后续只需查缓存。
• 支持硬链接和别名
  • dentry 允许同一个 inode 被多个不同的目录项引用，帮助 VFS 处理硬链接。
• 减少磁盘 I/O
  • 频繁打开、关闭文件时，通常 inode 和目录项都已经在缓存中，不需要再次读磁盘。
• 配合 inode cache
  • dentry 只缓存 “路径 → inode 的映射”，而 inode cache 保存 “inode 号 → inode 对象”。
  • 两者结合起来，VFS 可以几乎不访问磁盘就完成大部分路径解析。

注意,这里dentry cache和inode cache都是保存在内存之中的

文件系统的路径名查找

这里以进程打开一个位于磁盘上的文件为例子 open(filename, flags, mode)

由于open要使用到系统的资源,因此需要使用SYS_OPEN, 陷入系统调用之后. 此时内核会去检查 dentrycache 查看有没有文件名对于的inode.如果找到了,那么根据该inode以及flags,mode,绑定对应inode中操作的函数指针,创建一个file类型,挂载在进程的file_struct中,同时,给该file对象分配一个fd,并且在fd_table中添加fd到file的映射,以根据文件描述符直接定位到制定的file. 如果没有找到,那么会依据目录名通过VFS中文件名解析的方式去查找,来返回对应文件名的inode,找到之后,在 dentrycache中添加这对映射关系,然后重复上面更新到进程的步骤.最后将对应的文件描述符返回.