Linux 中允许众多不同的文件系统共存，如ext3, ext4, vfat等。通过使用同一套文件 I/O 系统调用即可对 Linux 中的任意文件进行操作而无需考虑其所在的具体文件系统格式；更进一步，对文件的操作可以跨文件系统而执行。而这一套文件 I/O 系统即虚拟文件系统VFS。
文件存储在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做“扇区”（sector），每个扇区512字节。
操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区的读取，这样效率太低，而是一次性读取多个扇区，即一个“块”（block）。这种由多个扇区组成的“块”，是文件存取的最小单位。“块”的大小，最常见的是4KB。
文件数据储存在“块”中，此外我们还需要一个地方存储文件的元信息，例如文件的创建者、创建日期、修改日期、文件大小等。这种存储文件元信息的区域就叫做inode，中文译名“索引节点”。
大部分的文件系统，如Ext、Fat、Ntfs等，都会在磁盘格式化的时候创建inode区，存放文件的inode信息。
Linux的VFS子系统，会对磁盘中的inode信息做一个封装，形成VFS中定义的inode结构体。
每一个文件都有对应的inode，里面包含了与该文件有关的一些信息。另外系统为了加速查找引入了目录项dentry结构，为了实现进程中对文件的操作引入了文件对象file。
磁盘文件存储
APUE P91，4.14节的图很清楚的说明了磁盘、分区、文件系统、文件节点、数据块之间的关系，看图
- i节点中都有一个链接计数，其值是指向该i节点的目录项数。当链接数为0时，才会释放数据块
- i节点包含文件相关的所有内容。文件类型、文件访问权限位、文件长度和指向文件数据块的指针等。
- 目录项只存放两项重要数据：i节点编号、文件名
- 目录项中的 i节点编号只能指向同一文件系统中的i节点。所以ln(1)命令不能跨越文件系统
- 符号链接文件的实际内容（在数据块中）包含了该符号链接所指向的文件的名字。该文件名字可以跨文件系统
- 在不改变文件系统的情况下对一个文件进行重命名，不会移动文件的实际内容，仅创建新的指向现在i节点的目录项，删除旧的目录项。
当我们使用命令 mkdir testdir 创建一个目录后，磁盘结构如下图：
- i-node 2549指向一个目录块，即testdir目录的实际数据块
- i-node 2549的引用计数位2，任何叶子目录的引用计数都是2.一个来自父目录的引用，一个来自自身目录的 .文件夹
- i-node 2549的父目录为1267，同样指向一个目录数据块，里边包含指向自身的.，指向父目录的..，和包含的目录项2549:testdir
使用ls查看就是下面这样：
$ mkdir testdir
;; 查看inode 1267的内容
$ ls -al
总用量 12
drwxrwxr-x 3 lan_cyl lan_cyl 4096 8月 23 12:36 .
drwxrwxr-x 12 lan_cyl lan_cyl 4096 8月 23 12:36 ..
drwxrwxr-x 2 lan_cyl lan_cyl 4096 8月 23 12:36 testdir
;; 查看testdir目录的内容
$ ls testdir -al
总用量 8
drwxrwxr-x 2 lan_cyl lan_cyl 4096 8月 23 12:36 .
drwxrwxr-x 3 lan_cyl lan_cyl 4096 8月 23 12:36 ..
Linux 虚拟文件系统
VFS是一套代码框架（framework），它处于文件系统的使用者与具体的文件系统之间，将两者隔离开来。这种引入一个抽象层次的设计思想，即“上层不依赖于具体实现，而依赖于接口；下层也不用关心调用，只用实现接口”，就算面向对象里的“面向接口编程”吧。
VFS的框架图如下，图片来自Linux内核文件系统学习：虚拟文件系统(多图）
VFS核心数据结构：
超级块 super_block
存放系统中已安装文件系统的有关信息，针对文件系统级别的概念。
它一般存在于磁盘的特定扇区中，但是对于那些基于内存的文件系统（比如proc, sysfs），超级块是在使用时创建在内存中的。
超级块的定义在：<linux/fs.h>
/*
* 超级块结构中定义的一些重要的属性
*/
struct super_block {
struct list_head s_list; /* 指向所有超级块的链表 */
const struct super_operations *s_op; /* 超级块方法 */
struct dentry *s_root; /* 目录挂载点 */
struct mutex s_lock; /* 超级块信号量 */
int s_count; /* 超级块引用计数 */
struct list_head s_inodes; /* inode链表 */
struct mtd_info *s_mtd; /* 存储磁盘信息 */
fmode_t s_mode; /* 安装权限 */
};
索引节点 inode
存放有关具体文件的一般信息。（这里的文件包括普通文件、目录、特殊设备文件等）
索引节点和超级块一样是实际存储在磁盘上的，当被进程访问到时才会在内存中创建
索引节点定义在：<linux/fs.h>
/*
* 索引节点结构中定义的一些重要的属性
*/
struct inode {
struct hlist_node i_hash; /* 散列表，用于快速查找inode */
struct list_head i_list; /* 索引节点链表 */
struct list_head i_sb_list; /* 超级块链表超级块 */
struct list_head i_dentry; /* 目录项链表 */
unsigned long i_ino; /* 节点号 */
atomic_t i_count; /* 引用计数 */
unsigned int i_nlink; /* 硬链接数 */
uid_t i_uid; /* 使用者id */
gid_t i_gid; /* 使用组id */
struct timespec i_atime; /* 最后访问时间 */
struct timespec i_mtime; /* 最后修改时间 */
struct timespec i_ctime; /* 最后改变时间 */
const struct inode_operations *i_op; /* 索引节点操作函数 */
const struct file_operations *i_fop; /* 缺省的索引节点操作 */
struct super_block *i_sb; /* 相关的超级块 */
struct address_space *i_mapping; /* 相关的地址映射 */
struct address_space i_data; /* 设备地址映射 */
unsigned int i_flags; /* 文件系统标志 */
void *i_private; /* fs 私有指针 */
};
目录项 dentry
存放目录项与对应文件进行链接的信息，是磁盘目录文件中包含的一组数据。
由于索引节点对象的属性非常多，在查找、比较文件时效率不高，所以引入了目录项的概念。
目录层层嵌套形成文件路径，而路径中的每个部分都是一个目录项，比如路径：/mnt/cdrom/foo/bar/test.txt 其中包含6个目录项，/ mnt cdrom foo bar test.txt
目录项的目的就是提高文件查找速率，所以根据局部性原理，把访问过的目录项缓存在slab中
目录项的定义在：<linux/dcache.h>
/*
* 目录项对象结构的主要字段
*/
struct dentry {
atomic_t d_count; /* 使用计数 */
unsigned int d_flags; /* 目录项标识 */
spinlock_t d_lock; /* 单目录项锁 */
struct inode *d_inode; /* 相关联的索引节点 */
struct hlist_node d_hash; /* 散列表 */
struct dentry *d_parent; /* 父目录的目录项对象 */
struct qstr d_name; /* 目录项名称 */
struct list_head d_lru; /* 未使用的链表 */
struct list_head d_subdirs; /* 子目录链表 */
struct list_head d_alias; /* 索引节点别名链表 */
unsigned long d_time; /* 重置时间 */
const struct dentry_operations *d_op; /* 目录项操作相关函数 */
unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* 短文件名 */
};
文件对象
存放打开文件与进程之间进行交互的有关信息
文件对象反过来指向一个目录项对象，目录项对象再指向一个索引节点，索引节点指向具体的数据块
其实只有目录项对象才表示一个已打开的实际文件
文件对象的定义在: <linux/fs.h>
/*
* 文件对象结构中定义的一些重要的属性
*/
struct file {
union {
struct llist_node fu_llist; /* 文件对象链表 */
struct rcu_head fu_rcuhead; /* 释放之后的RCU链表 */
} f_u;
struct path f_path; /* 包含的目录项 */
struct inode *f_inode; /* 缓存值 */
const struct file_operations *f_op; /* 文件操作函数 */
atomic_long_t f_count; /* 文件对象引用计数 */
};
四个主要对象之间的关系
进程与文件
进程与文件关系图：
进程描述符task_struct里包含一个files_struct结构，用于管理该进程的文件描述符表，所有打开的文件的file结构指针都保存在这个数组里，而程序里用到的文件描述符就是这个数组的下标
files_struct管理文件描述符表，定义在：<linux/fdtable.h>
/*
* 打开文件表结构
*/
struct files_struct {
atomic_t count; /* 使用计数 */
bool resize_in_progress;
wait_queue_head_t resize_wait;
struct fdtable __rcu *fdt; /* 使用计数 */
struct fdtable fdtab; /* 使用计数 */
spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
int next_fd;
unsigned long close_on_exec_init[1]; /* 执行exec()时关闭的文件描述符链表 */
unsigned long open_fds_init[1]; /* 打开的文件描述符链表 */
unsigned long full_fds_bits_init[1];
struct file __rcu *fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];/* 缺省的打开文件数组 */
};
task_struct 中与文件系统相关的还有另外一个成员 fs，它指向一个 fs_struct，定义在：<linux/fs_struct.h>
struct fs_struct {
int users; /* 用户数目 */
spinlock_t lock;
seqcount_t seq;
int umask;
int in_exec; /* 当前正在执行的文件 */
struct path root, pwd; /* 根目录路径和当前工作目录路径 */
};
本文主要是对Linux虚拟文件系统整体结构的理解，后面文章再介绍相关的文件IO、高级IO的知识
参考：
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