VFS(一) 虛擬檔案系統概述
1。萬物皆檔案
Everything is a file。
用過Linux的朋友一定聽過類似的話。雖然有一些例外，但在Linux上大部分資源確實都是檔案，而且都是透過VFS來訪問的。
比如儲存資料的檔案，可以執行的二進位制程式，層次化的目錄結構等等。這些檔案都是使用
基於磁碟硬體的檔案系統
（比如ext2/3/4，xfs等）來管理的，就是說它們都是儲存在真實磁碟裝置上的。在Linux中大部分檔案都是這種型別的。
還有一部分檔案是虛擬檔案，並不儲存在真實的磁碟硬體裝置上，而是使用
虛擬檔案系統
（比如sys，proc，cgroup等）來管理。這些虛機檔案系統是核心執行時生成的，從而提供了從使用者態透過VFS來和核心態通訊的方式。
舉個例子，使用stat命令可以看到檔案/proc/cpuinfo的長度為0。
讀取/proc/cpuinfo的時候，可以讀到核心的關於cpu的資訊，這些資訊都是核心生成的。
2。檔案型別
Linux下一共有七種檔案型別，比較常用的檔案型別是普通檔案，目錄，軟鏈等。
使用ls -l命令來區分不同的檔案型別，輸出的第一個字元代表檔案型別。
-：普通檔案
d：目錄
c：字元裝置
b：塊裝置
s：套接字
p：管道
l：軟鏈
一個Linux系統裡可能有上百萬個上述不同型別的檔案。
不同型別的檔案底層解釋方式並不相同。
比如普通檔案和套接字的讀寫邏輯就不一樣。
而相同型別的檔案的底層解釋方式也有可能不同。
比如都是普通檔案，/var/log/message和/proc/1/cmdline的讀寫邏輯也不一樣，等等。
因為這些檔案都使用不同的檔案系統例項來管理。比如/var/log/message可能是由ext4來管理的，而/proc/1/cmdline是由procfs管理，而socket是由sockfs來管理。
所以不同檔案的解釋權在於特定的檔案系統例項。
3.VFS虛擬檔案系統
Linux支援各種各樣的檔案系統，在核心原始碼的fs目錄下，可以找到很多常用的檔案系統實現，比如ext4，xfs，sysfs等。
為了支援各種各樣檔案系統，Linux在使用者程序和檔案系統例項中間引入了一個抽象層，對不同檔案系統的訪問都使用相同的方法，並提供了檔案的統一檢視。
不同的檔案系統的底層實現方式可能有很大的差異，但VFS並不關心這些。透過提供公共元件和統一框架，VFS對上層系統呼叫遮蔽了具體檔案系統實現之間的差異性，為所有檔案的訪問提供了相同的API，並遵循相同的呼叫語義。
VFS（Virtual FileSystem Switch）抽象層。
4。VFS資料結構
在操作檔案的時候，在使用者態看到的是檔案描述符fd（一個整數）。
程序內部使用open函式開啟一個檔案，並返回fd。之後透過read/write/close/ioctl等函式來對fd進行操作。
每使用open開啟一個檔案，就會分配出一個新的fd來標識該檔案。fd只在當前程序內有效。
在核心態操作操作檔案要複雜的多，具體的實現會涉及數量龐大的彼此關聯的資料結構，以下是一些比較重要的資料結構：
struct file
對應到程序內開啟的檔案，file儲存在程序的fdtable的陣列中，使用fd作為索引。
每個檔案關聯一個file_operation，包含檔案讀寫，記憶體對映，設定檔案位置等函式指標。使用者態的read/write等對檔案進行的函式呼叫最終都會執行到這裡。
struct inode
檔案索引節點，用來儲存檔案的元資訊。每個檔案唯一的對應到一個inode。
每個inode有一個分割槽內唯一編號，可以使用ls -i來檢視。
每個inode關聯一個inode_operation，包含相關元資料建立，刪除，查詢，修改屬性等函式指標。
struct dentry
目錄項快取，用來加速檔案查詢結果，建立檔名和inode的對映關係。
dentry的例項之間會形成一個小型的類似檔案系統的拓撲結構。dentry目錄下的檔案和子目錄都會進入d_subdir連結串列，d_parent指向父dentry。
每個dentry可能關聯一個dentry_operation，包含雜湊，比較檔名等函式指標。
struct super_block
超級塊控制結構。裝載檔案系統時，藉助檔案系統例項對應的fill_super函式生成。該結構儲存了檔案系統的元資訊。
每個超級塊關聯一個super_block_operation，實現特定檔案系統例項超級塊的操作函式。
struct address_space
地址空間結構。每個inode都有一個地址空間。該結構用來建立快取資料和後備儲存器資料之間的對映關係。快取的結構是記憶體頁（page cache），快取的資料就是檔案內容。
struct file_system_type
檔案系統型別。每個檔案系統都有一個型別，使用register_filesystem註冊到核心中。其中比較重要的是mount函式指標，用來掛載特定的檔案系統例項。
對於上述資料結構中的
比如ext4中檔案的file_operation為ext4_file_operations，目錄的file_operation為ext4_dir_operations，inode的inode_operation為ext4_file_inode_operations。
下圖給出這些資料結構彼此之間關係的一個簡化版本：
5。VFS開啟檔案
5。1。查詢檔案
在對檔案進行讀寫之前，需要先使用open函式開啟這個檔案。開啟檔案需要先對檔案進行查詢定位。
比如最常用的開啟bash，就要開啟bash檔案，路徑位於/usr/bin/bash。檔案系統的組織是樹狀目錄，所以
查詢的第一步是始於根目錄/。
根目錄/對應的inode是已知的。檔案系統掛載時，在構建超級塊中會載入根目錄/對應的inode（ext4中根目錄對應的inode號是2）和dentry。
根目錄/（2號inode）中的資料是具體的目錄項，每一項都包含一個子項（子目錄或者檔案）的名字，和子項關聯的inode號。
查詢的第二步是找到子目錄usr對應的inode號。
在根目錄/（2號inode）中掃描名字為usr的目錄項，找到usr對應的inode（5505025號inode）。
然後重複第二步，直到找到bash檔案對應的inode（5505117號inode），最後載入對應的檔案內容。
但這樣的查詢比較慢，實際上在VFS中會使用dentry_hashtable來加速查詢過程。
5。2。開啟檔案
應用程式使用標準庫的open函式來開啟一個檔案。
在x86_64架構上open函式會執行syscall指令從使用者態轉換到核心態，並最終呼叫到do_sys_open函式。
do_sys_open的流程：
do_filp_open的流程：
