VFS，super_block，inode，dentry—结构体图解

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VFS只存在于内存中，它在系统启动时被创建，系统关闭时注销。
VFS的作用就是屏蔽各类文件系统的差异，给用户、应用程序、甚至Linux其他管理模块提供统一的接口集合。
管理VFS数据结构的组成部分主要包括超级块和inode。

VFS是物理文件系统与服务之间的一个接口层，它对Linux的每个文件系统的所有细节进行抽象，使得不同的文件系统在Linux核心以及系统中运行的进程看来都是相同的。
严格的说，VFS并不是一种实际的文件系统。它只存在于内存中，不存在于任何外存空间。VFS在系统启动时建立，在系统关闭时消亡。

VFS使Linux同时安装、支持许多不同类型的文件系统成为可能。VFS拥有关于各种特殊文件系统的公共界面，当某个进程发布了一个面向文件的系统调用时，内核将调用VFS中对应的函数，这个函数处理一些与物理结构无关的操作，并且把它重定向为真实文件系统中相应的函数调用，后者用来处理那些与物理结构相关的操作。

下图就是逻辑上对VFS及其下层实际文件系统的组织图，可以看到用户层只能于VFS打交道，而不能直接访问实际的文件系统，比如EXT2、EXT3、PROC，换句话说，
就是用户层不用也不能区别对待这些真正的文件系统，不过，SOCKET虽然也属于VFS的管辖范围，但是有其特殊性，
就是不能像打开大部分文件系统下的“文件”一样打开socket，它只能被创建，而且内核中对其有特殊性处理。

VFS描述文件系统使用超级块和inode 的方式，所谓超级块就是对所有文件系统的管理机构，每种文件系统都要把自己的信息挂到super_blocks这么一个全局链表上。
内核中是分成2个步骤完成：首先每个文件系统必须通过register_filesystem函数将自己的file_system_type挂接到file_systems这个全局变量上，
然后调用kern_mount函数把自己的文件相关操作函数集合表挂到super_blocks上。每种文件系统类型的读超级块的例程（get_sb）必须由自己实现。

文件系统由子目录和文件构成。每个子目录和文件只能由唯一的inode 描述。inode 是Linux管理文件系统的最基本单位，也是文件系统连接任何子目录、文件的桥梁。
VFS inode的内容取自物理设备上的文件系统，由文件系统指定的操作函数(i_op 属性指定)填写。VFS inode只存在于内存中，可通过inode缓存访问。

1、super_block

相关的数据结构为:

struct super_block
{
struct list_head s_list;/* Keep this first */// 连接super_block的链表
dev_t s_dev;/* search index; _not_ kdev_t */
unsignedlong s_blocksize;
unsignedlong s_old_blocksize;
unsignedchar s_blocksize_bits;
unsignedchar s_dirt;
unsignedlonglong s_maxbytes;/* Max file size */
struct file_system_type  *s_type;// 所表示的文件系统的类型
struct super_operations  *s_op;// 文件相关操作函数集合表
struct dquot_operations  *dq_op;//
struct quotactl_ops  *s_qcop;//
struct export_operations *s_export_op;//
unsignedlong s_flags;//
unsignedlong s_magic;//
struct dentry  *s_root;// Linux文件系统中某个索引节点(inode)的链接
struct rw_semaphore s_umount;//
struct semaphore s_lock;//
int s_count;//
int s_syncing;//
int s_need_sync_fs;//
atomic_t s_active;//
void*s_security;//
struct xattr_handler  **s_xattr;//
struct list_head s_inodes;/* all inodes */// 链接文件系统的inode
struct list_head s_dirty;/* dirty inodes */
struct list_head s_io;/* parked for writeback */
struct hlist_head s_anon;/* anonymous dentries for (nfs) exporting */
struct list_head s_files;// 对于每一个打开的文件,由file对象来表示。链接文件系统中file
struct block_device  *s_bdev;//
struct list_head s_instances;//
struct quota_info s_dquot;/* Diskquota specific options */
int s_frozen;//
wait_queue_head_t s_wait_unfrozen;//
char s_id[32];/* Informational name */
void*s_fs_info;/* Filesystem private info */
/**
* The next field is for VFS *only*. No filesystems have any business
* even looking at it. You had been warned.
*/
struct semaphore s_vfs_rename_sem;/* Kludge */
/* Granuality of c/m/atime in ns.
Cannot be worse than a second */
u32 s_time_gran;
};

super_block存在于两个链表中,一个是系统所有super_block的链表, 一个是对于特定的文件系统的super_block链表.

所有的super_block都存在于 super_blocks(VFS管理层) 链表中:

对于特定的文件系统(文件系统层的具体文件系统), 该文件系统的所有的super_block 都存在于file_sytem_type中的fs_supers链表中.

而所有的文件系统,都存在于file_systems链表中.这是通过调用register_filesystem接口来注册文件系统的.
int register_filesystem(struct file_system_type * fs)

2、inode
inode(发音：eye-node)译成中文就是索引节点，它用来存放档案及目录的基本信息，包含时间、档名、使用者及群组等。

inode 是 UNIX 操作系统中的一种数据结构，其本质是结构体，它包含了与文件系统中各个文件相关的一些重要信息。在 UNIX 中创建文件系统时，同时将会创建大量的 inode 。
通常，文件系统磁盘空间中大约百分之一空间分配给了 inode 表。

dentry的中文名称是目录项，是Linux文件系统中某个索引节点(inode)的链接。这个索引节点可以是文件的，也可以是目录的。

inode对应于物理磁盘上的具体对象，dentry是一个内存实体，其中的d_inode成员指向对应的inode。

相关的数据结构为:

/*
* Keep mostly read-only and often accessed (especially for
* the RCU path lookup and 'stat' data) fields at the beginning
* of the 'struct inode'
*/
struct inode
{
umode_t i_mode;
unsignedshort i_opflags;
kuid_t i_uid;
kgid_t i_gid;
unsignedint i_flags;

#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
struct posix_acl *i_acl;
struct posix_acl *i_default_acl;
#endif

conststruct inode_operations *i_op;
struct super_block *i_sb;
struct address_space *i_mapping;

#ifdef CONFIG_SECURITY
void*i_security;
#endif

/* Stat data, not accessed from path walking */
unsignedlong i_ino;
/*
* Filesystems may only read i_nlink directly. They shall use the
* following functions for modification:
*
* (set|clear|inc|drop)_nlink
* inode_(inc|dec)_link_count
*/
union
{
constunsignedint i_nlink;
unsignedint __i_nlink;
};
dev_t i_rdev;
loff_t i_size;
struct timespec i_atime;
struct timespec i_mtime;
struct timespec i_ctime;
spinlock_t i_lock;/* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
unsignedshort i_bytes;
unsignedint i_blkbits;
blkcnt_t i_blocks;

#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
seqcount_t i_size_seqcount;
#endif

/* Misc */
unsignedlong i_state;
struct mutex i_mutex;

unsignedlong dirtied_when;/* jiffies of first dirtying */
unsignedlong dirtied_time_when;

struct hlist_node i_hash;
struct list_head i_wb_list;/* backing dev IO list */
struct list_head i_lru;/* inode LRU list */
struct list_head i_sb_list;
union
{
struct hlist_head i_dentry;
struct rcu_head i_rcu;
};
u64 i_version;
atomic_t i_count;
atomic_t i_dio_count;
atomic_t i_writecount;
#ifdef CONFIG_IMA
atomic_t i_readcount;/* struct files open RO */
#endif
conststruct file_operations *i_fop;/* former ->i_op->default_file_ops */
struct file_lock_context *i_flctx;
struct address_space i_data;
struct list_head i_devices;
union
{
struct pipe_inode_info *i_pipe;
struct block_device *i_bdev;
struct cdev *i_cdev;
};

__u32 i_generation;

#ifdef CONFIG_FSNOTIFY
__u32 i_fsnotify_mask;/* all events this inode cares about */
struct hlist_head i_fsnotify_marks;
#endif

void*i_private;/* fs or device private pointer */
};

inode存在于两个双向链表中:
一个是inode所在文件系统的super_block的 s_inodes 链表中
一个是根据inode的使用状态存在于以下三个链表中的某个链表中:

未用的: inode_unused 链表
正在使用的: inode_in_use 链表
脏的: super block中的s_dirty 链表

另外,还有一个重要的链表: inode_hashtable(这个暂不介绍).

3、dentry

struct dentry
{
/* RCU lookup touched fields */
unsignedint d_flags;/* protected by d_lock */
seqcount_t d_seq;/* per dentry seqlock */
struct hlist_bl_node d_hash;/* lookup hash list */
struct dentry *d_parent;/* parent directory */
struct qstr d_name;
struct inode *d_inode;/* Where the name belongs to - NULL is
* negative */
unsignedchar d_iname[DNAME_INLINE_LEN];/* small names */

/* Ref lookup also touches following */
struct lockref d_lockref;/* per-dentry lock and refcount */
conststruct dentry_operations *d_op;
struct super_block *d_sb;/* The root of the dentry tree */
unsignedlong d_time;/* used by d_revalidate */
void*d_fsdata;/* fs-specific data */

struct list_head d_lru;/* LRU list */
struct list_head d_child;/* child of parent list */
struct list_head d_subdirs;/* our children */
/*
* d_alias and d_rcu can share memory
*/
union
{
struct hlist_node d_alias;/* inode alias list */
struct rcu_head d_rcu;
} d_u;
};