Linux 虚拟文件系统（一）--初识inode

1. 前言

文件系统是一个操作系统必备的功能之一。当你想运行一个应用时，你需要加载一个可执行文件。当你想编辑一段文本并保存时，你需要写入一个文本文件。当你想查看一个张图片时，你需要打开一个图片文件。可以想象，没有文件系统功能的操作系统也只剩下一套空壳。

一个成熟的操作系统至少支持一种文件系统。Linux 作为最主流的开源操作系统，只支持一种文件系统这么掉价的行为。肯定是不为 Linux 拥趸们接受的。

为了支持多个文件系统实现，以及访问其他操作系统的文件系统。Linux 在用户进程和文件系统实现之间加入了一个抽象层。这个抽象层被称为虚拟文件系统（Virtual File System，简称 VFS）。

计算机科学中的所有问题都可以通过增加一个间接层来解决 David Wheeler（剑桥大学计算机科学教授）

2. VFS 简介

VFS 屏蔽了底层文件系统实现的差异，为文件系统使用者提供了统一的文件系统视图。VFS 定义了一系列的通用接口和通用数据结构。支持加载和卸载文件系统，通用的文件操作等。

VFS 为了实现通用的文件视图，提供了一系列数据结构供用户进程和文件系统实现进行交互。这些对象包括 inode 结构体、超级块、目录项缓存、文件系统等。本文主要介绍 inode 结构体，以及其组织方式。

3. inode 结构体

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root@ubuntu:~# tree dir/
dir/
├── a.txt
└── subDir
    └── b.txt

1 directory, 2 files

一般而言，文件系统中文件的组织方式是有层次的。而实现这种层次结构的关键就是 inode 结构体。

在详细介绍 inode 结构体之前，我们先介绍一下 Linux 世界的一个重要法则：万物皆文件。在 Linux 的所有的 I/O 操作都可以通过 VFS 提供的读写 API 进行操作。

inode 存储的信息可以分成两大类

描述文件状态的元数据。包括访问权限、创建时间、修改时间、文件长度等。
保存实际文件内容的数据段（或指向数据的指针），数据段的具体格式取决于各个具体的文件系统实现

这里需要特别指出的是文件名并不存储在 inode 中。文件名存储在目录项（dentry）中，目录项存储在 inode 的数据段中，格式取决于具体的文件系统实现。

将文件名存储到目录项（dentry）而非 inode 中。可以很方便实现硬链接。

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struct inode {
	umode_t			i_mode; // 文件权限和文件类型的值
	kuid_t			i_uid; // 文件所属用户
	kgid_t			i_gid; // 文件所属组
	const struct inode_operations	*i_op; // inode 的操作函数
	struct super_block	*i_sb; // 文件系统的超级块
	unsigned long		i_ino; // inode 编号
	loff_t			i_size; // 文件长度
	struct timespec64	__i_atime; // 最后访问时间
	struct timespec64	__i_mtime; // 最后修改时间
	struct timespec64	__i_ctime; // inode 最后修改时间
	u8			i_blkbits; // 文件系统块的大小
	blkcnt_t		i_blocks; // 文件总共有多少块
	struct address_space	i_data; // 数据指针
	...
}

在 VFS 的世界观里是不区分目录和文件的，它们都统一使用了 inode 这个结构体进行表示。而目录和文件的 inode 区别在于数据段和 i_mode 字段。

文件的 i_data 数据指针指向的内存区域存储的是文件的内容。而目录的 i_data 数据指针指向的内存区域存储的是目录项，目录项的格式由各个文件系统自行定义， VFS 并没有做规范。

i_mode 是一个位掩码，用来标识文件类型和权限。Linux 内核中定义了如下的文件类型常量。

S_IFREG：常规文件
S_IFDIR：目录
S_IFCHR：字符设备
S_IFBLK：块设备
S_IFIFO：管道或FIFO
S_IFLNK：符号链接
S_IFSOCK：套接字

当一个 inode 结构表示目录的时候，i_mode 位掩码对应的位置会置为 S_IFDIR。内核代码可以轻易地判断出一个 inode 结构是属于文件还是一个目录。

上图是本小节 tree 命令的执行目录的 inode 结构示意图。其中圆形的表示 inode 结构，方形的表示数据段。每个 inode 都有一个文件系统内唯一的编号 i_no 和一个指向数据段的指针。数据段的内容因为文件类型而不同。如果是文件则为数据段的内容为文件内容。如果是目录则为目录项数据。目录项数据取决于具体的文件系统实现，但是至少应该包含文件名和 inode 编码。

4. inode 组织方式

内核中每个的文件系统的 inode 都以链表的形式组织在一起。每个 inode 结构都通过自身的 i_list 字段指向排在自己后面的 inode 结构。首尾相连，组成一个庞大的 inode 链表。

但是，链表的查找速度又太慢了。所以 VFS 又将所有的 inode 结构组织到一张哈希表中。通过溢出链的方式处理哈希冲突。inode 结构体中的 i_hash 字段用于关联溢出链的每个 inode 结构。

4. 参考

《深入Linux内核架构》
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