8.1
概述
虚拟文件系统又称虚拟文件系统转换（Virual Filesystem Switch ，简称VFS）。说它虚拟，是因为它所有的数据结构都是在运行以后才建立，并在卸载时删除，而在磁盘上并没有存储这些数据结构，显然如果只有VFS，系统是无法工作的，因为它的这些数据结构不能凭空而来，只有与实际的文件系统，如Ext2、Minix、MSDOS、VFAT等相结合，才能开始工作，所以VFS并不是一个真正的文件系统。与VFS相对，我们称Ext2、Minix、MSDOS等为具体文件系统。
1．虚拟文件系统的作用
在第一章Linux内核结构一节中，我们把VFS称为内核的一个子系统，其它子系统只与VFS打交道，而并不与具体文件系统发生联系。对具体文件系统来说，VFS是一个管理者，而对内核的其它子系统来说，VFS是它们与具体文件系统的一个接口，整个Linux中文件系统的逻辑关系如图8.1所示：
图8.1 Linux中文件系统的逻辑关系示意图
VFS提供一个统一的接口（实际上就是file_operatoin数据结构,稍后介绍），一个具体文件系统要想被Linux支持，就必须按照这个接口编写自己的操作函数，而将自己的细节对内核其它子系统隐藏起来。因而，对内核其它子系统以及运行在操作系统之上的用户程序而言，所有的文件系统都是一样的。实际上，要支持一个新的文件系统，主要任务就是编写这些接口函数。
概括说来，VFS主要有以下几个作用：
（1）对具体文件系统的数据结构进行抽象，以一种统一的数据结构进行管理。
（2）接受用户层的系统调用 ，例如write、open、stat、link等等。
（3）支持多种具体文件系统之间相互访问。
（4）接受内核其他子系统的操作请求，特别是内存管理子系统。
通过VFS，Linux可以支持很多种具体文件系统，表8.1是Linux支持的部分具体文件系统。
表8.1 Linux支持的部分文件系统
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文件系统 |
描 述 |
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Minix |
Linux最早支持的文件系统。主要缺点是最大 长14个字符的文件名称的限制 |
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Ext |
第一个Linux专用的文件系统，支持 |
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Xiafs |
在Minix基础上发展起来，克服了Minix的主要缺点。但很快被更完善的文件系统取代 |
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Ext2 |
当前实际上的Linux标准文件系统。性能强大，易扩充，可移植。 |
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Ext3 |
日志文件系统。Ext3文件系统是对稳定的Ext2文件系统的改进 |
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System V |
Unix早期支持的文件系统，也有与Minix同样的限制 |
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NFS |
网络文件系统。使得用户可以像访问本地文件一样访问远程主机上的文件。 |
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ISO 9660 |
光盘使用的文件系统 |
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/proc |
一个反映内核运行情况的虚的文件系统，并不实际存在于磁盘上。 |
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Msdos |
Dos的文件系统，系统力图使它表现的像Unix。 |
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UMSDOS |
该文件系统允许MSDOS文件系统可以当作Linux固有的文件系统一样使用 |
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Vfat |
fat文件系统的扩展，支持长文件名。 |
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Ntfs |
windows NT的文件系统 |
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Hpfs |
OS/2的文件系统 |
2． VFS所处理的系统调用
表8.2列出VFS的系统调用，这些系统调用涉及文件系统、常规文件、目录及符号链接。另外还有少数几个由VFS处理的其它系统调用：诸如ioperm( )、ioctl( )、pipe( )和 mknod( ),涉及设备文件和管道文件 ，有些内容在下一章进行讨论。由VFS处理的最后一组系统调用，诸如socket( )、connect( )、bind( )和 protocols( ),属于套接字系统调用并用于实现网络功能。
表8.2 VFS的部分系统调用
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系统调用名 |
功能 |
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mount( )/ umount( ) |
安装/卸载文件系统 |
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sysfs( ) |
获取文件系统信息 |
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statfs( )/ fstatfs( ) /ustat( ) |
获取文件系统统计信息 |
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chroot( ) |
更改根目录 |
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chdir( ) /fchdir( ) /getcwd( ) |
更改当前目录 |
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mkdir( ) /rmdir( ) |
创建/删除目录 |
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getdents( ) /readdir( )/ link( ) unlink( ) /rename( ) |
对目录项进行操作 |
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readlink( ) /symlink( ) |
对软链接进行操作 |
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chown( ) /fchown( ) /lchown( ) |
更改文件所有者 |
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chmod( )/ fchmod( ) /utime( ) |
更改文件属性 |
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stat( ) /fstat( ) /lstat( ) access( ) |
读取文件状态 |
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open( ) /close( ) /creat( ) /umask( ) |
打开/关闭文件 |
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dup( ) /dup2( ) /fcntl( ) |
对文件描述符进行操作 |
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select( ) /poll( ) |
异步I/O通信 |
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truncate( ) /ftruncate( ) |
更改文件长度 |
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lseek( ) /_llseek( ) |
更改文件指针 |
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read( )/ write( ) /readv( ) /writev( ) sendfile( ) |
文件I/O操作 |
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pread( )/ pwrite( ) |
搜索并访问文件 |
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mmap( ) /munmap( ) |
文件内存映射 |
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fdatasync( ) /fsync( ) /sync( )/ msync( ) |
同步访问文件数据 |
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flock( ) |
处理文件锁 |
前面我们已经提到，VFS是应用程序和具体的文件系统之间的一个层。不过，在某些情况下，一个文件操作可能由VFS本身去执行，无需调用下一层程序。例如，当某个进程关闭一个打开的文件时，并不需要涉及磁盘上的相应文件，因此，VFS只需释放对应的文件对象。类似地，如果系统调用lseek( )修改一个文件指针，而这个文件指针指向有关打开的文件与进程交互的一个属性，那么VFS只需修改对应的文件对象，而不必访问磁盘上的文件，因此，无需调用具体的文件系统子程序。从某种意义上说，可以把VFS看成“通用”文件系统，它在必要时依赖某种具体的文件系统。