如何支持多個(gè)文件系統(tǒng)

Steve Kleiman 在 1986 年撰寫(xiě)了《Vnodes: An Architecture for Multiple File System Types in Sun UNIX[3]》一文。這篇論文幅較短，大部分內(nèi)容是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的列舉，以及 C 語(yǔ)言結(jié)構(gòu)之間相互指向的圖表。

Steve Kleiman是分布式文件系統(tǒng)領(lǐng)域的專家，在 Sun Microsystem 工作了多年，曾參與開(kāi)發(fā) Sun Network File System（NFS）等項(xiàng)目，為分布式文件系統(tǒng)領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。

Kleiman 希望在 Unix 中能夠擁有多個(gè)文件系統(tǒng)，并希望這些文件系統(tǒng)能夠共享接口和內(nèi)存。具體而言，他希望設(shè)計(jì)一個(gè)能夠提供以下功能的架構(gòu)：

一個(gè)可以支持多個(gè)實(shí)現(xiàn)的通用接口；支持 BSD FFS，以及兩個(gè)遠(yuǎn)程文件系統(tǒng) NFS 和 RFS，還有特定的非 Unix 文件系統(tǒng)，如 MS-DOS；接口定義的操作需要是原子性的。

并且，能夠在不影響性能的情況下動(dòng)態(tài)地處理內(nèi)存和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，支持重入（reentrant) 和多核，并且具有一定面向?qū)ο筮M(jìn)行編程的特性。

重入（reentrant) 是指程序或子程序在尚未完成上一次調(diào)用之前，可以再次被調(diào)用且不會(huì)出錯(cuò)或發(fā)生沖突。

兩個(gè)抽象概念

Steven 研究了文件系統(tǒng)的各種操作，決定將他們抽象為兩個(gè)概念：

??vfs，虛擬文件系統(tǒng)，代表文件系統(tǒng)

??vnode，虛擬 inode，代表文件

vfs，虛擬文件系統(tǒng)，它提供統(tǒng)一的接口，使操作系統(tǒng)可以以一致的方式訪問(wèn)不同的文件系統(tǒng)，無(wú)論是本地文件系統(tǒng)還是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。

vnode，虛擬 inode, 表示一個(gè)文件，每個(gè)文件都有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的索引節(jié)點(diǎn)，其中包含了文件的元數(shù)據(jù)（如文件權(quán)限、所有者、大小等）以及指向文件數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置的指針。

采用了 C++風(fēng)格（實(shí)際使用 C 語(yǔ)言），每一個(gè)類型會(huì)匹配一個(gè)虛函數(shù)表，通過(guò)虛函數(shù)表，系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)根據(jù)對(duì)象的實(shí)際類型來(lái)調(diào)用適當(dāng)?shù)奶摵瘮?shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綁定：

??對(duì)于 vfs 類型，其虛函數(shù)表 struct vfsops，包含了一系列的函數(shù)指針，用來(lái)執(zhí)行諸如 mount、unmount、sync 和 vget 等操作。在論文的后面，會(huì)解釋這些函數(shù)的原型和功能；

??對(duì)于 vnode 類型也是類似的，其虛函數(shù)表 struct vnodeops，包含 open、rdwr 和 close 等函數(shù)，還有create、unlink 和 rename 等函數(shù)。一些函數(shù)是針對(duì)特定的文件類型的，比如 readlink、mkdir、readdir 和 rmdir。

通過(guò) vfs 對(duì)象來(lái)進(jìn)行跟蹤實(shí)際的掛載，其虛函數(shù)表 struct vfsops 指向適用于該特定子樹(shù)的文件系統(tǒng)操作。

類似地，vnode 實(shí)例用來(lái)進(jìn)行跟蹤打開(kāi)的文件。它包含?struct *vnodeops?指針，作為 vfs 的一部分，有指針?struct *vfs?指向文件系統(tǒng)實(shí)例。

vfs 和 vnode 這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體都需要一些用于存儲(chǔ)特定實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的字段（如“子類私有字段”）。他們都以?caddr_t ...data?指針結(jié)尾。這些私有數(shù)據(jù)并不是 vfs 和 vnode 的一部分，而是位于其他位置，并通過(guò)指針進(jìn)行引用。

Vnodes 實(shí)操

在論文中，有一整頁(yè)的內(nèi)容專門(mén)用于展示各種相互指向的結(jié)構(gòu)。乍一看可能會(huì)感到困惑，但一旦追蹤下來(lái)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它非常直觀和優(yōu)雅。

Kleiman 詳細(xì)解釋了如何使用 lookuppn() 函數(shù)來(lái)解釋事物的工作原理，該函數(shù)替代了傳統(tǒng) Unix 中的 namei() 函數(shù)。類似于 namei() ，這個(gè)函數(shù)接受一個(gè)路徑，并返回表示該路徑所代表的 vnode 的 struct vnode 指針。

路徑遍歷始于根 vnode 或當(dāng)前進(jìn)程的當(dāng)前目錄 vnode，具體取決于路徑的第一個(gè)字符是否為 /。

然后，這個(gè)函數(shù)會(huì)依次取出路徑的每一個(gè)子項(xiàng)，并調(diào)用當(dāng)前 vnode 的 lookup 函數(shù)，它接受一個(gè)路徑子項(xiàng)和一個(gè)假設(shè)是目錄的當(dāng)前 vnode，并返回代表那個(gè)子項(xiàng)的 vnode。

當(dāng)一個(gè)目錄是個(gè)掛載點(diǎn)，它的 vfsmountedhere 會(huì)被設(shè)置為一個(gè)指向 struct vfs 的指針。lookuppn 函數(shù)會(huì)跟隨這個(gè)指針，并調(diào)用 vfs 的根函數(shù)，以獲取該文件系統(tǒng)的根 vnode，替換當(dāng)前正在處理的 vnode。

反過(guò)來(lái)也是可能的：當(dāng)解析父目錄（".. "）時(shí)，如果當(dāng)前 vnode 的 "flags" 字段中設(shè)置了根標(biāo)志，我們會(huì)跟隨 vfsmountedhere 指針從當(dāng)前 vnode 到 vfs。然后，我們可以使用該 vfs 中的 vnodecovered 字段來(lái)獲取上層文件系統(tǒng)的 vnode。

無(wú)論如何，在成功完成后，會(huì)返回一個(gè) struct vnode 指針，即所使用的路徑。

新增的系統(tǒng)調(diào)用

為了使系統(tǒng)高效地運(yùn)行，需要添加一些新的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)完善接口。

在 Unix 的歷史中，我們看到引入了 statsfs 和 fstatsfs ，通過(guò)這兩個(gè)函數(shù)可以獲得與用戶空間中的文件系統(tǒng)進(jìn)行交互的接口。getdirentries 函數(shù)可以讓用戶一次性獲取多個(gè)目錄條目（取決于提供的緩沖區(qū)大小），這大大加快了遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)的目錄讀取速度。

在 Linux 系統(tǒng)中

通過(guò)查看 Linux 內(nèi)核源代碼，我們可以找到 Kleiman 設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)，盡管 Linux 內(nèi)核的復(fù)雜性和豐富性掩蓋了其中大部分內(nèi)容。Linux 內(nèi)核擁有豐富的文件系統(tǒng)類型，并且還添加了許多在 40 年前的 BSD 中不存在的功能。因此，我們可以找到更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)用，它們被用于實(shí)現(xiàn)命名空間、配額、屬性、只讀模式、目錄名稱緩存等功能。

文件

如果你仔細(xì)觀察，原始的結(jié)構(gòu)仍然可以找到：Linux 內(nèi)存中的文件相關(guān)結(jié)構(gòu)分為兩部分，一個(gè)是已打開(kāi)的文件，它是一個(gè)帶有當(dāng)前位置的 inode；另一個(gè)是 inode，它代表整個(gè)文件。

我們可以在此處找到文件對(duì)象[4]，struct file 的實(shí)例。在文件的所有其他內(nèi)容中，最值得注意的是一個(gè)字段?loff_t f_pos，它表示文件當(dāng)前位置距離文件起始位置的偏移量（以字節(jié)為單位）。

文件的類[5]是通過(guò)一個(gè)虛函數(shù)表來(lái)定義。我們可以找到一個(gè)指針?struct file_operations *f_op?。它展示了文件可以執(zhí)行的所有操作，其中最常見(jiàn)的是打開(kāi)（open）、關(guān)閉（close）、定位（lseek）、讀?。╮ead）和寫(xiě)入（write）。

文件還包含指向 inode 的指針，即?struct inode *f_inode。

索引節(jié)點(diǎn)

對(duì)于不需要偏移量的文件操作，它們是針對(duì)整個(gè)文件進(jìn)行的，定義為?struct inode *。

查看此處[6]的定義。我們可以看到這里還有其他的定義，40 年前的 BSD 中沒(méi)有類似的定義，比如 ACL（訪問(wèn)控制列表）和屬性（attributes）。

我們發(fā)現(xiàn)?inode 的類[7]通過(guò)虛函數(shù)表來(lái)定義，即?struct inode_operations *i_op。同樣的，這其中很多函數(shù)涉及新特性，比如 ACL（訪問(wèn)控制列表）和擴(kuò)展屬性，但我們也會(huì)找到我們期望的功能，比如鏈接（link）、刪除（unlink）、重命名（rename）等。

Inode 還包含一個(gè)指向文件系統(tǒng)的指針，即?struct super_block *i_sb。

超級(jí)塊

掛載點(diǎn)用?struct super_block?來(lái)表示，在此處查看其定義。同樣地，它有?struct super_operations *s_op?定義的各個(gè)操作，在此處[8]查看其定義。

支持的文件系統(tǒng)不再有限，可以通過(guò)內(nèi)核模塊動(dòng)態(tài)地添加新的文件系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?struct file_system_type?來(lái)表示，它只有一個(gè)用于創(chuàng)建 superblock 的工廠函數(shù) mount。

小結(jié)

Unix 發(fā)生了變化。它的運(yùn)行時(shí)變得更加復(fù)雜，增加了許多新的功能，并增加了系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)變得更有結(jié)構(gòu)。

但是，由 Steve Kleiman 和 Bill Joy（BSD 操作系統(tǒng)的共同創(chuàng)始人之一） 構(gòu)思的原始設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍然存在，在當(dāng)前的 Linux 系統(tǒng)中仍然可以找到，雖然已經(jīng)過(guò)去了 40 年。