服务器诊所：使虚拟文件系统工作

　　虚拟文件系统（VFS）是一个抽象概念，它具有极其高效的用途。几种流行的语言现在都支持 VFS 构造，Cameron Laird 向您说明这些构造适用于什么。
　　
　　“不亲自尝试就不会明白它是多么有用”。当有人对我这么说时，我一贯的反应就是认为说这话的人对所说的功能不够了解，所以没法说清楚。
　　
　　但是，对于虚拟文件系统，亲身经历告诉我说这话的人是对的。 Jeffrey Hobbs 是 ActiveState Corp. 的高开发人员，我们俩都见识了使用虚拟文件系统（VFS）可以实现多么不可思议的强大功能。
　　
　　简单的构想，重大的成果
　　VFS 背后的构想很简单：它将不是文件系统的事物表示为文件系统。这里的文件系统指的是“传统的类 Linux 文件系统”：由可直接访问的目录和（普通）文件构成的树或层次结构。当然，这个概念会激起所有 Linux 用户的兴趣，因为 Linux 本身的许多特征都源自 UNIX 文件系统内对设备、表和其它对象的表示。UNIX 建立在如下原则之上：每样东西（或者至少是许多东西）都是文件；VFS 将这一原则加以推广，将尽可能多的东西看成是文件系统。
　　
　　注：Linux 内核工程师也谈到了 VFS，但意义不同。本月的专栏文章不是关于 Linux 虚拟文件系统交换器的，该交换器将文件系统驱动程序分派给 ext2、ext3、reiserfs 等等。
　　
　　对 VFS 的一种看法是：它是某种技术或概念的另一个示例，用独立开发人员 Jean-Claude Wippler 的话说，这种技术“使 OS 和高级语言环境之间的界限变得模糊”。另外，“系统服务”在应用程序开发语言中的出现使可移植性变得更为容易，因为操作系统从视野中消失。
　　
　　那么，哪类东西本身不是文件系统，但用这种方式表示却非常有用呢？这有许多：可以通过 FTP、HTTP、WebDAV 或其它网络协议访问的文件；.zip 文件、CVS（并发版本控制系统，concurrent versions system）或其它归档文件的内容；数据库表；受安全性或其它约束限制的真正文件系统的投影（projection）；及其它。
　　
　　容易看出这样的资源可以以自然的方式映射到文件系统。假定 example.zip 压缩了下面这些文件：
　　
　　first
　　subdir1/second
　　subdir1/third
　　subdir2/fourth
　　该归档文件很可能创建为现有文件系统树的直接（局部）映像，所以自然可以用有根树表示：
　　
　　./first
　　./subdir1/second
　　./subdir1/third
　　./subdir2/fourth
　　许多在业界有影响的产品都依赖于 VFS。象日志记录文件系统这样的 DB2 功能部件的体系结构就依靠于 VFS 模型。众所周知的 Zope 应用程序服务器提供了一个颇有挑战性的 VFS 示例。Zope 的“获得（acquisition）”概念将程序化的对象映射成 URL。在 Zope 中，类似于下面这样的方法调用：
　　
　　context.myproject.object1.method1(year = "1999")
　　相当于对下面这个 URL 的 HTTP 请求：
　　
　　http://myzope.com/myproject/object1/method1?year=1999
　　看出其中的优点了吗？VFS 和 UNIX 的“一切均是文件”的概念也很相似，因为这个想法很容易理解和模仿，但是要意识到它能将应用程序设计简化到哪种程度，还需要花几年工夫。
　　
　　我们来研究一个示例。假定您已经编写了一个文本编辑器；它提供了访问、读取、修改单独文件以及将它们写回到存储器的方法。如果使用文件系统“虚拟器”，立刻就可以使用所有相同的代码来浏览 FTP 或 ZIP 归档文件，选择、修改并保存单独的项。您拥有在操作本地文件时能很好地工作的浏览器、备份实用程序、安全性扫描程序或版本控制系统吗？对其文件系统访问进行虚拟化，它立刻就可以对 .tar 文件、老式磁带盘和只能通过虚拟专用网（VPN）访问的公司资源进行操作。供应商喜欢把这样的附件卖到数千美元。VFS 却免费提供了这样的功能。
　　
　　或者说这几乎是免费的。程序员不用学习任何新知识；他们只需要像以往那样执行相同的 open、close 等文件系统操作。关键是所有的代码都和以前的一样。最大的困难就是当前支持成熟的 VFS 的语言运行时库很少。常见的困难之一是驱动程序通常是只读的，这或者是因为写功能需要进行更为复杂的编程，或者只是因为在类似 HTTP 这样的协议中没有定义写操作。
　　
　　哪种语言具有 VFS 功能？
　　对 VFS 支持得最好的语言是 Tcl，ActiveState 的 Hobbs 擅长于这种语言。在其它语言（包括 Java 和 Perl）中，现有的 VFS 实现是“不纯的”，因为它们在实现中提供了新方法（比如 Perl 的 vfsopen）来补充核心库入口点。相比之下，在 Tcl 的发行版 8.4 中，正如有关 VFS 的社区页面所说明的那样：“Tcl 的文件系统是完全支持虚拟文件系统的”。尤其重要的是，这意味着在任何识别普通文件的地方，可以按语法规则使用虚拟文件资源。典型的 Tcl 允许：
　　
　　image create -file myimage.gif
　　Tcl 8.4 将这一用法自然地扩展成：
　　
　　image create -file ftp://myserver.com/myimage.gif
　　独立顾问 Matt Newman 首先在 20 世纪 90 年代末为 Tcl 实现了健壮的 VFS，以帮助他为某个大型金融企业所做的开发工作。在 2000 年底，Eurobios 科学家 Vince Darley 准备雄心勃勃地重新编写 Tcl 的文件系统应用程序编程接口（API），其中的优点之一就是提供 VFS 挂钩（hook）。
　　
　　大多数在职的 Tcl 应用程序开发人员首先将 VFS 应用在上述的示例方面 － 例如灵活的支持 FTP 的编辑器。但值得注意的是，Tcl 的 VFS 先驱者（包括 Wippler，在前一篇有关应用程序部署的“服务器诊所（Server clinic）”专栏文章中曾提到过，请参阅参考资料）的初衷是开发“彻底的”VFS。也就是，不是使用 VFS 技术去访问现有的外部资源，而是要将一个特殊用途的数据库（位于应用程序内部）当作一个完整的文件系统进行管理。他们已经通过该机制显著地简化了应用程序开发和部署。从这个角度看，VFS 可以用来统一和整合不同的操作环境 － 开发、质保、客户站点，这样应用程序可以在所有操作环境中一致地操作。透明地将文件系统推广到外部文件，这只是附带的好处。清单 1 显示了两个摘自 Tcl 社区页面的代码示例，它们暗示了这个附带的好处的强大功能。
　　
　　清单 1. 在 Tcl 中使用 VFS
　　
　　　　package require vfs::urltype
　　　　vfs::urltype::Mount ftp
　　　　# With VFS activated, normal Tcl file commands
　　　　#　　can copy files even to and from FTP servers.
　　　　file copy ftp://foo.bar.com/pub/Readme .
　　　　file copy myfile ftp://user:password@foo.bar.com/private.txt
　　
　　
　　　　package require vfs::zip
　　　　vfs::zip::Mount foo.zip foo.zip
　　　　# foo.zip is now part of the normal filesystem hierarchy.
　　　　cd foo.zip
　　　　# Within subdir1 on foo.zip, list all items.
　　　　set listing [glob -dir subdir1 *]
　　
　　大多数语言都有访问 FTP 或 ZIP 的工具。从这个意义上说，VFS 类似于面向对象的高级语言或运行时库：它不提供任何新内容，您可以自己编程来做 VFS 可以做的任何事。但是，有了 VFS，资源管理就变得非常容易且更加合理。它不是个很难的概念；只是个很好的概念。
　　
　　VFS 简化了许多有趣的问题。Tcl 程序员目前正在处理类似于下面这样的问题：
　　
　　版本化的可动态装入库的集中压缩归档文件
　　智能网络代理程序
　　高级的“混合介质”备份管理器
　　我已经试验过“活动系统文件”的可编程性。可以把它们看作某些语言所支持的“特性”。特性是其访问会包括写操作副作用的属性：
　　
　　result = thing.property
　　可能不只是从内存检索“property”的值，而有可能涉及这样的计算：在网络上传送数据、检查系统状态，等等。类似地，当我写：
　　
　　file copy report.pdf backup
　　这不仅仅是将文件复制到目录中，而是要根据环境生成文件并执行其它操作。
　　
　　面向特性的编程因其副作用较多，而被认为是“危险”的，基本上，用显式存取方法不能完成的操作，它也肯定完成不了。然而，它这种样式仍适合某些情形，而且我发现活动文件系统至少有时候要比它们所替代的 makefile 和脚本更容易编码。
　　
　　结束语
　　Tcl 在其 VFS 成熟性方面要领先于其它语言；它已经解决了字符编码、I/O 体系结构和性能约束方面的难题，这些难题在其它语言社区中现在才刚开始显现。但是，您不一定非要使用 Tcl 才能应用 VFS 的思想。您自己的编程能从更为一致的访问类文件资源的方式中获益吗？大多数现代语言都提供了某种扩展内置构造的方法，因此可以用更一致和功能更强大的方式来编码 I/O。