002 Linux内核中虚拟文件系统VFS组织方式和文件系统注册

Linux支持多种文件系统，据维基百科统计多达上百种，它是如何进行组织和管理这些文件系统？答案就是VFS。Linux内核使用VFS框架，来组织和管理多个文件系统，VFS叫虚拟文件系统，也叫（Virtual Filesystem Switch）。VFS是内核中的软件层，为用户空间程序提供文件系统接口，同时在内核中提供了一个抽象，允许不同的文件系统可以共存。

一、VFS的组织方式

北向（用户接口）和南向（文件系统接口）

VFS北向提供了一组抽象接口，例如open(),read()、write()等，这些函数以系统调用的形式供用户程序调用。用户程序使用这些系统调用时，无需关心所操作的文件
属于哪个文件系统，但是VFS会根据操作对象所属的文件系统，将上层用户操作翻译成对应文件系统操作，调用对应的文件系统进行IO处理。

所以，VFS起到文件系统的组织和操作中转作用，对外封装了文件基本操作，对内管理多种文件系统，保障多种文件系统共存，同时有外部调用时，把操作转发给具体文件系统处理。

二、如何注册文件系统？

1.流程梳理

文件系统注册实际上是填写一个file_system_type数据结构，此结构提供了文件系统的名称、以及几个钩子函数，钩子函数包括：初始化文件系统上下文init_fs_context()、挂载文件系统mount()、销毁无用的超级块kill_sb()。

内核采用file_system_type类型的链表（file_system_type *file_systems），组织和管理每个注册的文件系统，所有注册的文件系统，都会放到file_systems链表尾部。

VFS管理的是实际挂载的文件系统实例，因为只有挂载的文件系统，才会分配相应内存和磁盘空间，构造出多种文件系统对象。那么挂载的文件系统信息，VFS使用超级块（super_block）数据结构来描述。

file_systems：是VFS组织的file_system_type链表

file_system_type：文件系统注册的file_system_type，包含name，fs_flag属性，fs_supers链接到超级块

super_block：超级块，s_type链接到file_system_type，s_instances指向下一个超级块

file_system_type结构体的详细内容如下，包含name、fs_flag、module属性，mount和kill_sb操作，fs_supers是关联超级块super_block

struct file_system_type {
	const char *name;
	int fs_flags;
#define FS_REQUIRES_DEV		1 
#define FS_BINARY_MOUNTDATA	2
#define FS_HAS_SUBTYPE		4
#define FS_USERNS_MOUNT		8	/* Can be mounted by userns root */
#define FS_DISALLOW_NOTIFY_PERM	16	/* Disable fanotify permission events */
#define FS_ALLOW_IDMAP         32      /* FS has been updated to handle vfs idmappings. */
#define FS_RENAME_DOES_D_MOVE	32768	/* FS will handle d_move() during rename() internally. */
	int (*init_fs_context)(struct fs_context *);
	const struct fs_parameter_spec *parameters;
	struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int,
		       const char *, void *);
	void (*kill_sb) (struct super_block *);
	struct module *owner;
	struct file_system_type * next;
	struct hlist_head fs_supers;

	struct lock_class_key s_lock_key;
	struct lock_class_key s_umount_key;
	struct lock_class_key s_vfs_rename_key;
	struct lock_class_key s_writers_key[SB_FREEZE_LEVELS];

	struct lock_class_key i_lock_key;
	struct lock_class_key i_mutex_key;
	struct lock_class_key invalidate_lock_key;
	struct lock_class_key i_mutex_dir_key;
};

2.代码示例

在模块启动时，构造一个file_system_type结构体实例，然后调用register_filesystem()注册文件系统

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参考文献：