一、簡介：
虛擬文件系統(tǒng)（也叫虛擬文件系統(tǒng)交換層）是在內(nèi)核實現(xiàn)的一個軟件層，它既為用戶空間程序提供文件系統(tǒng)接口的調(diào)用，也是保證系統(tǒng)內(nèi)核各種文件系統(tǒng)實現(xiàn)能夠共存的抽象層。
VFS系統(tǒng)調(diào)用如open(2), stat(2), read(2), write(2), chmod(2)等在進程上下文中被調(diào)用。文件系統(tǒng)鎖在文檔Documentation/filesystems/Locking中描述。
1、目錄結(jié)構(gòu)緩存(dcache)
VFS實現(xiàn)了open(2), stat(2), chmod(2)以及其它類似的系統(tǒng)調(diào)用。VFS利用傳遞給這些調(diào)用的文件路徑參數(shù)在目錄入口緩存（dcache 或者目錄機構(gòu)緩存）中進行查找。通過一種快速的轉(zhuǎn)換機制將文件路徑轉(zhuǎn)化為特定的目錄入口。目錄結(jié)構(gòu)緩存只存在在RAM中而從不寫入磁盤，他們只是為了提高性能而創(chuàng)建的。
目錄結(jié)構(gòu)緩存是整個文件空間的視圖，但是絕大多數(shù)計算機并沒有足夠的空間將所有的目錄結(jié)構(gòu)同時放在RAM中，因此某些緩存將會丟棄。為了解決目錄結(jié)構(gòu)中的路徑，VFS也許需要按照路徑結(jié)構(gòu)重新創(chuàng)建該緩存，并加載inode節(jié)點。這通過查找inode節(jié)點實現(xiàn)。
2、Inode節(jié)點對象
一個獨立的目錄結(jié)構(gòu)通常會有一個指向一個inode的指針。Inodes是文件系統(tǒng)的對象，例如普通文件，目錄，F(xiàn)IFO等。他們或者存在于磁盤上（快設(shè)備文件系統(tǒng)）或者內(nèi)存中（偽文件系統(tǒng)）。被請求訪問的inode從磁盤加載道內(nèi)存，在修改后再寫入磁盤。
一個獨立的inode可以同時作為多個目錄結(jié)構(gòu)的指針目標（如硬鏈接時會出現(xiàn)這種情況）。
查找一個inode時，需要通過VFS對inode的父目錄inode調(diào)用looup()方法。該方法在inode所屬的具體文件系統(tǒng)中實現(xiàn)。一旦VFS 請求了目錄結(jié)構(gòu)（同時inode），我們就可以通過open(2)打開文件，或者stat(2)查看inode數(shù)據(jù)。stat(2)操作很簡單，一旦 VFS獲得了目錄結(jié)構(gòu)，它就察看inode數(shù)據(jù)，并將其中某些數(shù)據(jù)傳給用戶空間。
3、文件對象
打開一個文件還需要其它的操作：獲取文件結(jié)構(gòu)（內(nèi)核實現(xiàn)的文件描述表）。最新分配的文件結(jié)構(gòu)被初始化為一個指向目錄結(jié)構(gòu)的指針和一組文件操作函數(shù)集合。這些數(shù)據(jù)從inode獲得。然后調(diào)用特定的文件系統(tǒng)實現(xiàn)的open()文件操作執(zhí)行相關(guān)的任務。這是VFS交換功能的一個實現(xiàn)。文件結(jié)構(gòu)被加入進程的文件表述表。
讀、寫和關(guān)閉文件（以及其它相關(guān)的VFS操作）通過用戶空間的文件描述表獲取對應的文件結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用請求的文件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)需要得功能。一旦文件被打開，目錄結(jié)構(gòu)將保持在使用狀態(tài)，表示VFS inode處于被訪問狀態(tài)。

二、注冊和加載文件系統(tǒng)
注冊和注銷一個文件系統(tǒng)時，使用下面的API：
   #include <linux/fs.h>
   extern int register_filesystem(struct file_system_type *);
   extern int unregister_filesystem(struct file_system_type *);
傳遞的參數(shù)file_system_type結(jié)構(gòu)描述了注冊的文件系統(tǒng)。當生成將一個設(shè)備掛載到文件空間的一個目錄時，VFS將調(diào)用相應文件系統(tǒng)所實現(xiàn)的get_sb()方法。接著，被掛載點的目錄結(jié)構(gòu)將被更新指向新文件系統(tǒng)的root inode節(jié)點。
在/proc/filesystems中可以看到在內(nèi)核中注冊的所有文件系統(tǒng)。
1、file_system_type結(jié)構(gòu)
該結(jié)構(gòu)對文件系統(tǒng)進行描述，在2.6.20內(nèi)核中，其在include/linux/fs.h定義如下：
struct file_system_type {
const char *name;
int fs_flags;
int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
         const char *, void *, struct vfsmount *);
void (*kill_sb) (struct super_block *);
struct module *owner;
struct file_system_type * next;
struct list_head fs_supers;
struct lock_class_key s_lock_key;
struct lock_class_key s_umount_key;
};
name:   文件系統(tǒng)類型名，如"ext2", "iso9660", "msdos"等
fs_flags: 幾種文件系統(tǒng)flag標志（FS_REQUIRES_DEV, FS_NO_DCACHE等）
get_sb:  加載(mount)新的文件系統(tǒng)實例時會調(diào)用的方法。sb指super block
kill_sb: 卸載（unmount）文件系統(tǒng)實例時調(diào)用
owner:  VFS內(nèi)部使用，大多數(shù)情況下，應該被初始化為 THIS_MODULE
next:  VFS內(nèi)部使用，初始化為NULL
s_lock_key:
s_umount_key:
get_sb參數(shù)如下：
struct super_block *sb: superblock結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)部分由vFS初始化，其余的在get_sb()方法中初始化
int flags:  掛載標志
const char *dev_name: 掛載的設(shè)備名
void *data:  掛載屬性選項，通常為ASCII字符串
int silent:  出錯時的處理方式
get_sb()方法必須superblock中指定的塊設(shè)備是否包含該方法支持的文件系統(tǒng)。執(zhí)行成功，就返回指向superblock的指針，出錯則返回NULL
s_op成員是get_sb中需要關(guān)注的項，它是一個指向結(jié)構(gòu)"struct super_operations"的指針，該結(jié)構(gòu)描述了文件系統(tǒng)的底層實現(xiàn)。
通常，一個文件系統(tǒng)使用get_sb()的具體實現(xiàn)中的一個，并提供fill_super方法。具體方法如下：
get_sb_bdev: 掛載塊設(shè)備上的文件系統(tǒng)
get_sb_nodev:掛載無設(shè)備文件系統(tǒng)
get_sb_single:掛載在掛載點之間共享實例的文件系統(tǒng)
fill_super方法實現(xiàn)含有的變量如下：
struct super_block *sb: super_block結(jié)構(gòu)，由fill_super()初始化
void *data:  掛載屬性選項，通常為ASCII字符串
int silent:  出錯時的處理方式

三、Superblock對象
一個Superblock對象代表了一個掛載的文件系統(tǒng)。
1、super_operations結(jié)構(gòu)
該結(jié)構(gòu)描述了VFS操作文件系統(tǒng)的方式。在2.6.20內(nèi)核中，其在include/linux/fs.h定義如下：
struct super_operations {
    struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb);
void (*destroy_inode)(struct inode *);
void (*read_inode) (struct inode *);
 
    void (*dirty_inode) (struct inode *);
int (*write_inode) (struct inode *, int);
void (*put_inode) (struct inode *);
void (*drop_inode) (struct inode *);
void (*delete_inode) (struct inode *);
void (*put_super) (struct super_block *);
void (*write_super) (struct super_block *);
int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait);
void (*write_super_lockfs) (struct super_block *);
void (*unlockfs) (struct super_block *);
int (*statfs) (struct dentry *, struct kstatfs *);
int (*remount_fs) (struct super_block *, int *, char *);
void (*clear_inode) (struct inode *);
void (*umount_begin) (struct vfsmount *, int);
int (*show_options)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
int (*show_stats)(struct seq_file *, struct vfsmount *);
#ifdef CONFIG_QUOTA
ssize_t (*quota_read)(struct super_block *, int, char *, size_t, loff_t);
ssize_t (*quota_write)(struct super_block *, int, const char *, size_t, loff_t);
#endif
};
所有的方法調(diào)用時除非特別要求，不會持有任何鎖。這意味著，這些方法可以安全的阻塞。這些發(fā)放必須在進程的上下文中調(diào)用。（不能通過中斷句柄或者下半部bottom half調(diào)用——沒有進程上下文）
alloc_inode: 該方法由inode_alloc調(diào)用，為inode結(jié)構(gòu)分配空間和初始化。如果未定義該方法，將分配一個簡單的inode結(jié)構(gòu)。通常，alloc_inode被用來分配一個包含inode結(jié)構(gòu)的大型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
destroy_inode: 該方法由destroy_inode調(diào)用，用以釋放為inode結(jié)構(gòu)分配的資源。它只在alloc_inode方法被定義時有效，簡單的逆向執(zhí)行（undo）alloc_inode中的處理。
read_inode: 該方法被用來從掛載的文件系統(tǒng)中讀取一個特定的inode。VFS設(shè)置inode結(jié)構(gòu)中的i_ino成員來指示被讀取得inode。其它的成員由該方法設(shè)置。
dirty_inode: VFS調(diào)用該方法來標記一個臟inode節(jié)點。
write_inode: VFS調(diào)用該方法將inode結(jié)構(gòu)協(xié)會磁盤。第二個參數(shù)標示使用同步寫還是異步方式，不是所有的文件系統(tǒng)都檢查該標記。
put_inode: 在VFS的inode從cache中移除時調(diào)用。。
drop_inode: 在最后一個對該inode節(jié)點的訪問操作被放棄時調(diào)用，該操作持有inode_lock自旋鎖。該方法必須或為空（NULL，通常意義上的Unix文件系統(tǒng)語義），或為"generic_delete_inode"（為不需要緩存inode的文件系統(tǒng)，以使無論i_nlink為何值的情況下，都會調(diào)用"delete_inode"）  "generic_delete_inode()"和曾經(jīng)在 put_inode()中使用的"force_delete"行為相似，但是不會存在"force_delete"方法的競爭。
delete_inode: VFS調(diào)用該方法刪除一個inode節(jié)點。
put_super； VFS調(diào)用該方法釋放一個superblock(如umount)。在持有superblock鎖時調(diào)用
write_super: 載VFS superblock需要寫入磁盤時調(diào)用，該方法為可選。
sync_fs: 在VFS寫一個superblock相關(guān)的所有inode節(jié)點時調(diào)用。第二個參數(shù)指示是否等待所有的寫操作完成后再執(zhí)行。可選。
write_super_lockfs: 在VFS鎖住一個文件系統(tǒng)時調(diào)用，并強制進入一致狀態(tài)。該方法現(xiàn)在由邏輯卷管理器(LVM)使用。
unlockfs； VFS調(diào)用該方法釋放文件系統(tǒng)的鎖，使其重新可寫。
statfs:  在VFS需要獲得文件系統(tǒng)統(tǒng)計信息時調(diào)用。該方法調(diào)用需要獲得內(nèi)核鎖。
remount_fs: 在文件系統(tǒng)重新掛載時調(diào)用。該方法調(diào)用需要獲得內(nèi)核鎖。
clear_inode: 在VFS清除一個inode節(jié)點試調(diào)用。可選。
umount_begin； 在VFS卸載文件系統(tǒng)時調(diào)用。
//sync_inodes； VFS寫superblock關(guān)聯(lián)的臟數(shù)據(jù)時調(diào)用。 --2.6.20中取消
show_options: 在VFS顯示/proc/<pid>/mounts的掛載參數(shù)時調(diào)用。
show_stats:
quota_read: VFS調(diào)用該方法讀取文件系統(tǒng)的配額文件。
quota_write； VFS調(diào)用該方法寫入文件系統(tǒng)的配額文件。
read_inode()方法負責填充i_op域，該域是一個指向inode_operations結(jié)構(gòu)的指針，該結(jié)構(gòu)描述了每個inodes的操作方法。

四、inode對象

inode是文件系統(tǒng)中的對象元素。

1、inode_operations結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)描述了VFS如何操作文件系統(tǒng)中的inode。在2.6.20中定義如下：

struct inode_operations {
 int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *);
 struct dentry * (*lookup) (struct inode *,struct dentry *, struct nameidata *);
 int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
 int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
 int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
 int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int);
 int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
 int (*mknod) (struct inode *,struct dentry *,int,dev_t);
 int (*rename) (struct inode *, struct dentry *,
   struct inode *, struct dentry *);
 int (*readlink) (struct dentry *, char __user *,int);
 void * (*follow_link) (struct dentry *, struct nameidata *);
 void (*put_link) (struct dentry *, struct nameidata *, void *);
 void (*truncate) (struct inode *);
 int (*permission) (struct inode *, int, struct nameidata *);
 int (*setattr) (struct dentry *, struct iattr *);
 int (*getattr) (struct vfsmount *mnt, struct dentry *, struct kstat *);
 int (*setxattr) (struct dentry *, const char *,const void *,size_t,int);
 ssize_t (*getxattr) (struct dentry *, const char *, void *, size_t);
 ssize_t (*listxattr) (struct dentry *, char *, size_t);
 int (*removexattr) (struct dentry *, const char *);
 void (*truncate_range)(struct inode *, loff_t, loff_t);
};

所有方法除非特別要求，調(diào)用時不必持有鎖。

create:  由open(2)和create(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用。只在需要支持常規(guī)文件時必須定義。獲得的目錄結(jié)構(gòu)不能存在inode（如，消極entry.如果有，就不需要創(chuàng)建了）。也許還需要為該dentry和新創(chuàng)建的inode調(diào)用d_instantiate()。

lookup:  在VFS需要從父目錄里查找一個inode時調(diào)用。查找的名字從dentry中獲得。該方法將找到的inode通過調(diào)用 d_add()插入到目錄結(jié)構(gòu)中。結(jié)構(gòu)中的i_count項增1。如果該名字的inode不存在，則在dentry中增加一個空的inode(該 dentryb被稱為消極dentry)

link:  由link(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用，只在需要支持硬鏈接(hard link)時必須定義。和在create()方法中類似，需要調(diào)用d_instantiate()。

ulink:  由ulink(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用，只在需要支持刪除inode時必須定義。

symlink: 由symlink(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用，只在需要支持軟鏈接(symbolick link)時必須定義。和在create()方法中類似，需要調(diào)用d_instantiate()。

mkdir:  由mkdir(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用，只在需要支持軟鏈接(symbolick link)時必須定義。和在create()方法中類似，需要調(diào)用d_instantiate()。

rmdir:  由rmdir(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用，只在需要支持刪除子目錄時必須定義。

mknod:  由mknode(2)系統(tǒng)調(diào)用用來為設(shè)備（字符或塊），命名管道或者套接字創(chuàng)建inode時調(diào)用，只在需要支持創(chuàng)建這類inode時必須定義。和在create()方法中類似，需要調(diào)用d_instantiate()。

rename:  由rename(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用,將源inode和dentry（前兩個）改為目標inode和dentry（后兩個）的父目錄和文件名。

readlink: 由readlink(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用，只在需要支持軟鏈接(symbolick link)時必須定義。

follow_link: 由VFS調(diào)用，用來獲得一個軟鏈接所指向的inode，只在需要支持軟鏈接(symbolick link)時必須定義。該方法返回一個可以傳給put_link()方法的空指針。

put_link: 由VFS調(diào)用，用來釋放由follow_link分配的資源。該方法的最后一個參數(shù)是由follow_up返回的一個空指針的值參。它在頁緩存不穩(wěn)定的文件系統(tǒng)（如，NFS）中應用。

truncate: 由VFS調(diào)用，用來改變一個文件的大小。必須在該方法調(diào)用前用需要得大小來設(shè)置inode的i_size值。該方法被truncate(2)以及相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用。

permission: VFS調(diào)用該方法檢查在POSIX類的文件系統(tǒng)上的訪問權(quán)限。

serattr: VFS調(diào)用該方法設(shè)置文件的屬性。該方法被chmod(2)以及相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用。

getattr: 獲得文件屬性。由stat(2)以及相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用。

setxattr: VFS調(diào)用該方法設(shè)置文件的擴展屬性信息。擴展屬性是inode相關(guān)的"name:value"對。該方法由setxattr(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用。

getxattr； VFS調(diào)用該方法獲得給定文件擴展屬性的值。該方法由getxattr(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用。

listxattr: VFS調(diào)用該方法列出給定文件的所有擴展屬性信息。該方法由listxattr(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用。

removexattr: VFS調(diào)用該方法移除給定文件的所有擴展屬性信息。該方法由removexattr(2)系統(tǒng)調(diào)用調(diào)用。