Linux内核文件系统

在Linux中，一切对象皆文件，为了用户层面能够以比较一致的接口访问文件，提供了VFS，VFS简单来说就是一个转换功能，将上层命令，根据具体对象转发到对应的驱动去。

虚拟文件系统是典型的面向对象方法设计出来的一个东西，包括四个重要类型：

superblock

用于表示一个挂载的文件系统，相当于文件系统总信息

inode

表示一个真正的文件

dentry

表示一个目录项，请不要和文件系统中的目录混淆，它只不过是路径中的一个节点而已

file

表示进程打开的文件，很显然多个进程可以打开同一个文件，所以可以有很多个file指向同一个inode

由于C语言没有将方法和成员绑定的功能，所以对应的有四个函数指针集： super_operations、inode_operations、dentry_operations和file_operations。比方用户比较常用的read/write调用，最终都会进入到file_operations提供的read/write。

对于虚拟文件系统层来说，我个人认为它提供了两个核心功能，一个是转发功能，其实就是面向对象概念中的多态。一个是缓存功能，缓存功能极大的提高了对文件的查询速度。缓存的核心数据结构就是dentry，查询文件就是通过dentry来找到具体的文件。

dentry有三个状态：

used

此时dentry关联到一个inode，并且inode正被人访问

unused

此时dentry关联到一个inode，但是inode没人访问，所以dentry有被回收的可能

negative

此时dentry没有关联到inode，可能的原因是inode被删除，路径名不正确等等。要注意的是，negative目录项很有存在价值，因为当你试图多次去打开一个不存在的文件时，系统能快速的确定文件不存在。

为了能够极大的提高文件搜索速度，内核做了一个dentry cache，简称dcache。 dcache核心包括如下三个部分：

1. 一个used dentry链表
2. 一个LRU dentry链表，该链表包括unused和negative dentry
3. 一个hash table和hash function用于将路径映射到dentry

哈希表就是dentry_hashtable，每一个元素其实还是一个链表，该链表保存了具有相同hash值的目录项。VFS提供了一个通用hash算法，具体的文件系统也可以自己设计一套更优秀的hash算法。函数d_lookup()就是利用哈希算法来查找目录项。

除了上面提到的几个数据结构，还有几个数据结构，这里一并介绍一下：

file_system_type

这是一个用于管理内核中所有文件系统的数据结构，每个文件系统的设计者都需要注册一个这样的数据结构

files_struct

这个数据结构保存一个进程打开的所有文件和文件描述符信息

fs_struct

保存进程当前目录和根目录

文件系统底层实际上是调用块设备层提供的接口，块设备就是由固定大小的块组成的数据，一般都是512B，称之为扇区。在概念上，一个块可以有多个扇区，扇区的大小固定为512B。

在Linux中用buffer_head来描述一个buffer，该数据结构的目的是映射磁盘上的块到内存中。在Linux早期，该数据结构还有一个功能，就是IO传输单元，当然这样存在两个问题，致使后来内核做了较大的修改。

1. 没有page好用，描述小于一个page的buffer是效率很低。
2. 数据结构过大，只能描述一个buffer，要用多buffer同时传输，就需要多个buffer_head，很耗内存。

内核中用来作为IO传输的容器是bio，包括要传输的数据段，各buffer之间不需要在内存中连续。比较高明的地方是，内核允许buffers由多个块组成，也就是即便一个块中包含多个位置的数据，也能够进行IO操作，有一个术语叫scatter-gather IO。 bio存在的目的就是表述正在传输的IO操作，它本身是一个容器，每一个传输单元用bio_vec表示。

struct bio_vec {
        struct page *bv_page;
        unsigned int bv_len;
        unsigned int bv_offset;
};

也就是说每一个IO请求由一个bio表示，每个IO请求包含一个或多个传输块，每个传输块由bio_vec表示。

对块设备的操作请求都被放到一个请求队列当中，即request_queue，实际是一个request双向链表。例如文件系统将用户请求做成一个请求加入到请求队列中去，只有请求队列不空，块设备驱动就会从请求队列抓取请求进行处理。在数据上存在如下关系：一个request可以包含多个bio，因为一个请求操作多个连续设备块，但是设备块连续并不意味着内存块也会连续。一个bio可以描述多个段。