Linux虚拟系统文件交换器剖析

    Linux ? 的最显著特征是灵活性和扩展性，例如它的虚拟文件系统交换器（VFS）。您可以在各种设备上创建文件系统，包括传统的磁盘、USB flash 驱动、内存以及其他储存设备。您还可以在另一个文件系统环境中嵌入文件系统。探索导致 VFS 如此强大的因素，并了解 VFS 的主要接口和进程。

    Linux 文件系统的灵活性和扩展性支持直接源于一组抽象接口。这组接口的核心就是虚拟文件系统交换器（VFS）。

    VFS 为上层应用程序提供一组标准接口，用于对不同的文件系统执行文件 I/O。这组接口在一个或多个底层设备上支持多个并发文件系统。另外，这些文件系统可以不是静态的，可以根据储存设备而变化。

    VF与VFS

    您还可以看到 VFS 还被定义为虚拟文件系统（virtual file system），但定义为虚拟文件系统转换器（virtual file system switch）更能说明其作用，因为虚拟层跨多个文件系统转换（即多路复用）请求。/proc 文件系统在这里带来很多的混淆，因为它通常也被称为虚拟文件系统。

    例如，一个典型的 Linux 桌面在可用硬盘上支持 ext3 文件系统，并且在可用的 CD-ROM（或者称为 CD-ROM 文件系统 或 CDFS）上支持 ISO 9660 文件系统。因为 CD-ROM 是可以插入和移除的，所以 Linux 内核必须适应这些包含不同内容和结构的新文件系统。可以通过网络文件系统（Network File System，NFS）访问远程文件系统。在此时，Linux 还可以挂载来自本地硬盘的 Windows?/Linux 双引导系统的 NT File System (NTFS) 分区，并且能够向其读写数据。

    最后，可移除的 USB flash 启动（UFD）是可以热插拔的，它构成另一个文件系统。概而言之，可以在这些设备中使用同一组文件 I/O 接口，从而允许底层的文件系统和物理设备能够从用户中抽象出来（见图 1）。

    图 1. 在不同文件系统和储存设备之间提供统一接口的抽象层

    分层抽象

    现在，我们向 Linux VFS 提供的抽象特性添加一些具体的架构。图 2 从 VFS 的角度显示 Linux 结构的高级视图。在 VFS 之上的是标准的内核系统调用接口（SCI）。这个接口允许用户空间发出要求转换到内核的调用（在不同地址空间中）。在这个域中，调用 POSIX open 调用的用户空间应用程序经过 GNU C 库（glibc）进入内核和系统调用去多元化（de-multiplexing）。最后，使用 sys_open 调用 VFS。

    图 2. VFS 的分层架构

    早期的VFS实现

    Linux 并不是第一个包含虚拟层以支持通用文件模型的操作系统。早期的 VFS 实现包括 Sun 的 VFS（SunOS version 2.0，大约出现在 1985 年），以及 IBM 和 Microsoft? 的 “Installable File System” for IBM OS/2。这些虚拟化文件系统层的方法为 Linux VFS 铺平了道路。

    VFS 提供抽象层，从而将 POSIX API 与特定文件系统如何实现该行为的细节分离开来。这里的关键之处是，不管底层文件系统是 ext3 还是 Btrfs，Open、Read、Write 或 Close API 系统调用都能正常工作。VFS 提供一个由底层文件系统（它们必须为各种 POSIX API 函数实现行为）继承的通用文件模型。另一个在 VFS 范围之外的深层抽象隐藏了底层物理设备（可能是磁盘、磁盘分区、网络储存实体、内存或其他能够储存信息的媒介 —— 即使是暂时性的）。

    除了从底层文件系统抽象文件操作的细节之外，VFS 还将底层块设备绑定到可用的文件系统。让我们看看 VFS 的内部结构及其工作原理。

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