【Linux内核专栏 12】VFS 与文件系统

本篇定位 :Linux "一切皆文件"的根基是 VFS(虚拟文件系统)。11 篇写的 file_operations 是 VFS 给驱动的接口;本篇讲 VFS 怎么把"ext4/proc/sysfs/设备驱动"统一成一套 open/read/write。讲清四大对象(superblock/inode/dentry/file)、挂载、路径查找、procfs/sysfs/debugfs、ext4 概念。读完能理解 cat /proc/cpuinfo 和 cat /etc/hosts 走同一套 VFS 但到不同后端。
VFS 是 Linux "一切皆文件"的实现层

裸机操作文件要懂具体文件系统(FAT/自己写)。Linux 在用户态和具体文件系统(ext4/FAT/proc)之间插了 VFS 抽象层 :用户 open() → VFS → 据路径找具体文件系统 → 调它的实现。11 篇的 file_operations 就是 VFS 给字符设备的接口。VFS 让"ext4 文件、proc 信息、设备节点、网络套接字"都用同一套 syscall。

一、VFS 是什么

1.1 VFS 的角色

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用户态:    open("/etc/hosts") / read / write ...
              │
              ▼ syscall
VFS 层:    统一抽象(open/read/write 通用于所有文件系统)
              │
              ▼ 分发到具体后端
具体 FS:   ext4 / FAT / procfs / sysfs / 你的字符驱动
              │
              ▼
底层:      块设备(磁盘)/ 内存(虚拟 FS)/ 设备寄存器

1.2 VFS 的统一接口

不管后端是什么,VFS 提供统一 syscall:

open/read/write/close/lseek
mmap/munmap
ioctl
stat/fstat
mkdir/readdir/unlink/rename

后端(ext4/proc/驱动)实现这套接口(struct file_operations / inode_operations),VFS 转发。

1.3 支持的文件系统类型

类型	例子	后端
磁盘 FS	ext4 / xfs / btrfs / FAT / NTFS	块设备
网络 FS	NFS / CIFS	网络
虚拟 FS	procfs / sysfs / debugfs / tmpfs	内存
设备 FS	devtmpfs / 字符设备	设备
特殊	sockfs / pipefs / futexfs	内核对象

"一切皆文件"靠 VFS 落地

/etc/hosts(ext4 磁盘)、/proc/cpuinfo(procfs 内存)、/dev/ttyS0(设备)、/sys/...(sysfs)------都用 open/read 操作,因为 VFS 统一。你 11 篇的字符驱动 file_operations,就是 VFS 让你接入"一切皆文件"的钩子。

二、VFS 四大对象⭐

2.1 四大对象总览

对象	代表	生命周期	存在哪
superblock	一个已挂载的文件系统	挂载到卸载	内存(可能回写磁盘)
inode	一个文件(元数据)	文件存在	内存 + 磁盘
dentry	路径的一个分量(目录项)	访问时缓存	内存(dcache)
file	一个打开的文件实例	open 到 close	内存

2.2 superblock(超级块)

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struct super_block {
    dev_t s_dev;                    // 设备号
    unsigned long s_blocksize;      // 块大小
    unsigned long s_flags;          // 挂载标志(MS_RDONLY...)
    struct file_system_type *s_type; // 文件系统类型(ext4)
    const struct super_operations *s_op;  // 操作
    struct dentry *s_root;          // 根 dentry
    struct list_head s_inodes;      // 所有 inode 链表
    ...
};

struct super_operations {
    struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
    void (*destroy_inode)(struct inode *);
    void (*evict_inode)(struct inode *);    // inode 回收
    int (*statfs)(...);                      // 文件系统状态
    int (*sync_fs)(...);                     // 同步
    ...
};

一个挂载的 FS 一个 superblock
含 FS 全局信息(块大小/类型/操作表)
对应磁盘上的超级块(ext4 在磁盘有副本)

2.3 inode(索引节点)

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struct inode {
    umode_t i_mode;                 // 文件类型 + 权限
    unsigned long i_ino;            // inode 号(FS 内唯一)
    uid_t i_uid; gid_t i_gid;       // 所有者
    loff_t i_size;                  // 文件大小
    struct timespec i_atime/mtime/ctime;  // 访问/修改/改变时间
    const struct inode_operations *i_op;  // inode 操作
    const struct file_operations *i_fop;  // 默认 file 操作
    struct address_space *i_mapping;      // 页缓存(04 篇)
    struct super_block *i_sb;             // 所属 superblock
    ...
};

struct inode_operations {
    int (*create)(...);         // 创建文件
    struct dentry *(*lookup)(...);  // 查找
    int (*link/unlink/mkdir/rmdir/rename)(...);
    int (*getattr/setattr)(...);
    ...
};

inode = 一个文件的元数据(大小/权限/时间/数据块位置)
inode 不含文件名(文件名在 dentry)
一个文件一个 inode,即使被多个硬链接
磁盘 FS 的 inode 在磁盘有对应(ext4 inode 表)

2.4 dentry(目录项)

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struct dentry {
    struct dentry *d_parent;        // 父 dentry
    struct qstr d_name;             // 名字
    struct inode *d_inode;          // 关联 inode
    const struct dentry_operations *d_op;
    struct super_block *d_sb;
    unsigned char d_flags;
    struct list_head d_subdirs;     // 子 dentry
    ...
};

dentry = 路径的一个分量(/etc/hosts → "etc" 和 "hosts" 两个 dentry)
dentry 把"文件名"和"inode"关联
dcache:dentry 缓存,加速路径查找
纯内存对象(磁盘 FS 不存 dentry,存"目录文件"里)

2.5 file(打开的文件)

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struct file {
    const struct file_operations *f_op;  // 操作(你 11 篇写的)
    struct dentry *f_dentry;             // 关联 dentry
    struct inode *f_inode;
    loff_t f_pos;                        // 当前偏移(每个 file 独立)
    unsigned int f_flags;                // open 标志(O_RDONLY...)
    fmode_t f_mode;                      // 读/写模式
    void *private_data;                  // 驱动私有(你 11 篇用)
    ...
};

file = 一次 open 的实例
每次 open 创建一个 file(同文件多次 open 有多个 file)
f_pos 是该实例的偏移(独立)
11 篇的 filp->private_data 就是这里

2.6 四对象关系

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superblock (一个 FS)
  └─ 根 dentry
       └─ 子 dentry (etc)
            └─ 子 dentry (hosts) ──> inode (hosts 的元数据)
                                       └─ 多个 file (多次 open 的实例)
                                            └─ file_operations (驱动实现)

四对象是 VFS 的核心数据结构

你读内核文件系统代码,全是这四对象。记忆:superblock=FS;inode=文件元数据(无名字);dentry=名字+inode(路径分量);file=open 实例(有偏移)。你 11 篇的 file_operations 挂在 inode->i_fop,open 时拷到 file->f_op。

三、挂载(mount)

3.1 挂载做什么

把一个文件系统的根 dentry 挂到挂载点目录
访问挂载点 = 访问该 FS
mount -t ext4 /dev/sda1 /mnt

3.2 挂载流程

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mount("/dev/sda1", "/mnt", "ext4", ...)
  → VFS 找 ext4 文件系统类型
  → 调 ext4_mount → 读磁盘超级块 → 建内存 superblock
  → 建根 dentry
  → 挂到 /mnt(挂载点 dentry)

3.3 文件系统类型注册

c 复制代码

// 每个文件系统注册一个 file_system_type
struct file_system_type ext4_fs_type = {
    .name = "ext4",
    .mount = ext4_mount,
    .kill_sb = ext4_kill_sb,
    ...
};
register_filesystem(&ext4_fs_type);

3.4 看挂载

bash 复制代码

mount                    # 列所有挂载
cat /proc/mounts         # 同上(更详细)
findmnt                  # 树形

3.5 根文件系统(rootfs)

内核启动第一个挂载的 FS(02 篇)
通常是 initramfs(内存)或 ext4(磁盘)
PID 1(init)在 rootfs 上

嵌入式视角:嵌入式挂载

嵌入式常见:① rootfs = initramfs(打包进内核);② /mnt/data = ext4(eMMC 分区);③ /mnt/usb = FAT(U 盘)。你 BSP 要配挂载脚本(/etc/fstab 或 init 脚本)。

四、路径查找(path lookup)

4.1 open("/etc/hosts") 怎么找

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1. 从根 dentry(/)开始
2. 取下一分量 "etc" → 在根 dentry 的子目录找 "etc" dentry
3. 取下一分量 "hosts" → 在 "etc" dentry 的子目录找 "hosts" dentry
4. "hosts" dentry 关联 inode
5. 创建 file,关联 inode,调 inode->i_fop->open

4.2 dcache 加速

找过的 dentry 缓存到 dcache
下次同路径直接命中,不查磁盘
cat /etc/hosts 第二次比第一次快(dcache 命中)

4.3 符号链接

符号链接是特殊 dentry,内容是"目标路径"
查找时遇到符号链接,跳到目标继续找

五、read/write 的完整路径(结合 VFS)

5.1 read(fd, buf, n) 完整

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用户态: read(fd, buf, n)
  → glibc → syscall(06 篇)
  → sys_read
  → VFS vfs_read
      → 从 fd 找 file
      → 调 file->f_op->read(你驱动的 my_read,或 ext4 的 ext4_read)
          → 字符设备:copy_to_user(11 篇)
          → ext4:走 page cache(04 篇)→ 块 IO(13 篇)→ 磁盘
  → 返回读字节数
  → sret 回用户态

5.2 不同后端,f_op 不同

后端	file_operations
字符设备(你写的)	你的 my_fops
ext4	ext4_file_operations
procfs	proc_file_operations
sysfs	sysfs_file_operations
套接字	socket_file_ops

VFS 据 file->f_op 转发,统一接口不同实现------这就是多态。

VFS 是 C 实现的多态

11 篇写 file_operations 就是"实现 VFS 接口"。VFS 据 file->f_op 调对应实现------字符驱动调你的,ext4 调 ext4 的。C 用函数指针表(file_operations)实现多态,裸机的"函数指针表注册"经验直接迁移,Linux 是它的系统化。

六、inode 操作 vs file 操作

6.1 两种操作表

操作表	关联	作用
`inode_operations` (i_op)	inode	文件级(create/lookup/mkdir/unlink/rename)
`file_operations` (i_fop / f_op)	inode/file	内容级(open/read/write/ioctl)

6.2 区别

inode_operations:操作"文件本身"(创建/删除/改名/查找)------目录操作为主
file_operations:操作"文件内容"(读/写/控制)------打开文件后

6.3 例子

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mkdir /tmp/newdir
  → VFS → 父目录 inode_operations.mkdir

echo hi > /tmp/newdir/file
  → open(create): 父目录 inode_operations.create
  → write: file_operations.write

cat /tmp/newdir/file
  → open: inode_operations.lookup(找 file)
  → read: file_operations.read

七、Page Cache 与 VFS(衔接 04 篇)

7.1 address_space

每个 inode 有 address_space,管该文件的页缓存
read 命中 page cache 直接返回,不命中读盘
write 写 page cache,标记 dirty,writeback 写盘

7.2 VFS read(磁盘文件)

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vfs_read → ext4_read_iter
  → address_space 读 page cache
    命中 → 拷到用户
    不命中 → 发块 IO 请求读盘(13 篇)→ 填 page cache → 拷用户

字符设备不走 page cache(你 my_read 自己处理)
磁盘 FS 走 page cache(04 篇)

八、虚拟文件系统:procfs / sysfs / debugfs

8.1 procfs(/proc)

内核状态导出,内存 FS
旧接口,杂(进程信息 + 内核参数混杂)

/proc/cpuinfo CPU 信息
/proc/meminfo 内存
/proc/interrupts 中断
/proc// 进程信息(maps/status/fd/...)
/proc/sys/ 可改内核参数(sysctl)

8.2 procfs 编程接口

c 复制代码

// 创建 /proc/myinfo
struct proc_dir_entry *entry = proc_create("myinfo", 0444, NULL, &my_fops);
// 用 file_operations(read 返回字符串)

remove_proc_entry("myinfo", NULL);

老接口 create_proc_read_entry 弃用
新用 proc_create + seq_file(处理大数据量)

8.3 sysfs(/sys)

设备模型导出(10 篇),每个 kobject 一个目录
attribute 一个文件,show/store 回调
比 proc 规范(只放设备模型相关)

8.4 debugfs(/sys/kernel/debug)

调试用,无 API 稳定性保证
简单易用,适合驱动调试

c 复制代码

struct dentry *d = debugfs_create_u32("myval", 0644, NULL, &my_var);
debugfs_create_file("myinfo", 0444, NULL, dev, &my_fops);
debugfs_remove_recursive(d);

8.5 三个虚拟 FS 的取舍

FS	用途	稳定性
procfs	进程信息 + 内核参数(老)	半稳定(/proc/ 稳定,/proc/sys 稳定,其他不保证)
sysfs	设备模型(10 篇)	稳定(设备模型接口)
debugfs	调试	不保证(随时改)

驱动调试信息放哪

BSP 写驱动要导出调试信息:① 生产配置 用 sysfs(DEVICE_ATTR,11 篇);② 调试临时 用 debugfs(简单);③ 进程/内核状态用 proc(老接口)。别把调试信息塞 proc(污染)。这是规范。

九、ext4 概念(磁盘 FS 代表)

9.1 ext4 磁盘结构

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超级块(Superblock)     ← FS 全局信息(块大小/inode 数/空闲块)
块组描述符表(GDT)      ← 每块组的信息
块组(Block Group):
  ├─ 超级块副本(部分块组)
  ├─ 块位图(Block Bitmap)   ← 哪些块空闲
  ├─ inode 位图              ← 哪些 inode 空闲
  ├─ inode 表                ← 该组所有 inode
  └─ 数据块                  ← 文件数据

9.2 ext4 特性

** extents**(区段):文件数据用 extents 描述(连续块),比 ext2/3 的间接块高效
journaling(日志):元数据变更先写日志,崩溃可恢复
大文件支持:up to 16TB(块 4K)
延迟分配:数据先缓存,批量分配块,减少碎片

9.3 ext4 inode

每个 inode 固定大小(常 256 字节)
含文件元数据 + 数据块指针(extents)
inode 号是 FS 内唯一标识

9.4 写文件(ext4)

复制代码

write(fd, buf, n)
  → vfs_write → ext4_file_write_iter
  → 写 page cache(标记 dirty)
  → 延迟分配(不立即分配块)
  → writeback 线程:分配块(extents)+ 写日志 + 写数据块

9.5 fsck 与日志

日志模式:journal(数据+元数据)/ordered(元数据,数据先写)/writeback(元数据,数据不保证)
崩溃后日志恢复快(不用全盘 fsck)

嵌入式视角:嵌入式常用更轻的 FS

ext4 功能强但复杂。嵌入式常:① SquashFS (只读压缩,rootfs);② JFFS2/UBIFS (NAND Flash,带磨损均衡);③ FAT (兼容性,U 盘);④ ext4(eMMC/SD 大容量)。BSP 按 storage 选。

十、dentry/inode 缓存

10.1 dcache(dentry 缓存)

访问过的 dentry 缓存
内存压力时回收

10.2 icache(inode 缓存)

inode 缓存
配合 inode_hashtable(ino → inode)

10.3 看缓存

bash 复制代码

cat /proc/sys/fs/dentry-state
# nr_dentry  nr_unused  age_limit  want_pages  nr_negative

十一、文件描述符(fd)

11.1 fd 是什么

进程级的"打开文件"索引
每个 fd 对应一个 file 对象

11.2 fd 表

c 复制代码

struct task_struct {
    struct files_struct *files;   // fd 表
};

struct files_struct {
    struct file __rcu **fdt;   // fd 数组
    ...
};

fdt[fd] → struct file
0/1/2 默认 stdin/stdout/stderr
open 返回最小可用 fd

11.3 看进程 fd

bash 复制代码

ls -l /proc/<pid>/fd/
# 0 -> /dev/null
# 1 -> /dev/pts/0
# 3 -> /etc/hosts
# 4 -> socket:[12345]

十二、对照总表

概念	裸机/FreeRTOS	Linux VFS
文件操作	自己写 FAT	VFS 统一 open/read/write
文件元数据	FAT 表项	inode
文件名	FAT 目录项	dentry
打开文件	自己管句柄	file + fd
多 FS 支持	单一	VFS 抽象 + 多后端
设备	直接访问	file_operations(11 篇)
内核状态	自己打印	procfs/sysfs
挂载	无	mount

十三、本篇小结

VFS:用户态和具体 FS 之间的抽象层,统一 open/read/write,后端可换(ext4/proc/驱动)
四对象:superblock(FS)/inode(文件元数据,无名)/dentry(名字+inode,路径分量)/file(open 实例,有偏移)
挂载:把 FS 根 dentry 挂到挂载点;file_system_type 注册
路径查找:从根 dentry 逐级查,dcache 加速
read 路径:sys_read → vfs_read → file->f_op->read(字符驱动直接/ext4 走 page cache)
inode_operations(文件级:create/lookup/mkdir)vs file_operations(内容级:read/write)
procfs :进程/内核信息(老);sysfs :设备模型(规范);debugfs:调试(临时)
ext4:超级块/块组/inode 表/extents/日志,延迟分配
dcache/icache 加速;fd 是进程级打开文件索引
VFS 是 C 用函数指针表实现的多态,你 11 篇的 file_operations 就是接入点

速查表

想干啥	用什么
看挂载	mount / cat /proc/mounts / findmnt
看 fd	ls -l /proc//fd/
看进程内存映射	cat /proc//maps
看文件系统缓存	cat /proc/sys/fs/dentry-state
看 inode 信息	stat file
内核参数	/proc/sys/ + sysctl
设备信息	/sys/(sysfs)
调试信息	/sys/kernel/debug/(debugfs)
创建 proc 项	proc_create(name, perm, parent, fops)
创建 debugfs	debugfs_create_u32/file
注册文件系统	register_filesystem(&fs_type)
看 FS 类型	df -T

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