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2024年6月2日发(作者：容器类别和什么意思)
虚拟文件系统
一基本概念
传统的操作系统仅能支持一种类型的文件系统，随着信息技术的发展和应用
需求的增长，对文件系统的使用提出了新的要求，例如，要求在UNIX系统中支
持非UNIX类文件系统，以便运行UNIX的机器上也可访问DOS分区；要求Windows
2000/XP支持高性能文件系统的同时支持FAT文件系统；Linux在设计时便瞄准
能同时支持几十种文件系统；随着网络的发展，迫切要求计算机之间共享网络文
件系统；甚至一些用户希望能定制自己的文件系统。
为了能同时支持多种文件系统，不同操作系统采用不同技术方案来提供虚拟
文件系统，它要实现以下目标：把多种个文件系统纳入统一框架中，不同的磁盘
分区可以包含不同的文件系统，对它们的使用和传统单一文件系统没有区别；用
户可以通过同一组系统调用来对不同的文件系统及文件进行操作，更进一步，系
统调用可以跨物理介质和跨文件系统执行，如从一个文件系统拷贝或移动数据到
另一个文件系统；对网络共享文件提供完全支持，访问远程节点上的文件应与访
问本地节点的文件一致；开发出新的文件系统后，可以模块方式加入到操作系统
中。
虚拟文件系统VFS也称为虚拟文件系统开关(Virtual filesystem Switch)，
它是内核的一个子系统，提供了一个通用文件系统模型，该模型囊括了所能见到
的文件系统常用功能和行为，并为应用程序提供一致性的文件系统接口，安装的
所有物理文件系统不但依赖于VFS共存，而且也依靠VFS协同工作。它的主要设
计思想有以下3点：
(1)应用层：VFS模型源于UNIX文件系统，使得用户可以直接使用标准UNIX
文件系统调用来操作文件，无需考虑具体文件系统特性和物理存储介质，通过
VFS访问文件系统，才使得不同文件系统之间的协作性和通用性成为可能。
(2)虚拟层：在对所有具体文件系统的共同特性进行抽象的基础上，形成一
个与具体文件系统实现无关的虚拟层，并在此层次上定义与用户的一致性接口；
(3)实现层：该层使用类似开关表技术进行具体文件系统转接，实现各种文
件系统的物理操作细节，每个文件系统是自包含的，包含文件系统实现的各种设
施，如超级块、节点区、数据区以及各种数据结构和文件类的操作函数。
一般地说，VFS提供以下功能：
•记录可用的文件系统类型；
•把文件系统与对应的存储设备联系起来；
•处理面向文件的通用操作；
•涉及具体文件系统的操作时，把它们映射到相关的具体文件系统。
VFS抽象层之所以能衔接各种不同的文件系统，是因为它定义了所有文件系
统都支持的基本抽象接口和数据结构，同时具体的文件系统也将自己的诸如“文
件如何打开”、“目录如何定义”等概念在形式上与VFS的定义保持一致。对于像
FAT和NTFS这类非UNIX风格文件系统，必须经过封装，提供符合VFS概念的接
口。比如，一个文件系统不支持inode概念，它也必须在内存中装配inode结构
体，就像它本身包含inode一样。这些装配和转换需要在使用现场引入特别处理，
使得非UNIX文件系统能够兼容UNIX文件系统的使用规则和满足VFS的需求，这
样一来，非UNIX文件系统便可与VFS一道工作，只是性能上会有少许影响。
下面看一个文件操作的例子，假如应用程序执行如下文件操作：
write(fd,&buf,len)；要求将buf指针指向的、长度为len字节的数据写入文件
描述符fd对应的文件的当前位置。用户执行的系统调用首先被VFS的
sys_write( )处理，该函数首先处理一些与设备无关的操作，并找到f所在的文
件系统，再根据VFS结构及它的inode数据结构提供的信息，重定向到具体文件
系统中相对应的写函数，由它来处理与特定设备相关的操作，并把数据写到物理
介质。
二实例研究：Linux文件系统
标准文件类系统调用，
open( )、read( )、
应用层
用户空间
应用程序
write( )、close( )等
索引节点缓存
系统调用对应的内核函
系统空间
VFS
数，sys_open( )、
虚拟层
sys_read( )、sys_write( )、
目录高速缓存
sys_close( )等
具体文件系统对应的文
Minix Ext2 Fat 件操作函数，open( )、
文件系统 文件系统
read( )、write( )、close( )
„
文件系统
等
实现层
缓冲区缓存
图6- Linux 虚拟文件系统模型
磁盘驱动器
Linux VFS采用了面向对象设计思想，文件系统中定义的VFS相当于面向对
象系统中的抽象基类，从它出发可以派生出不同的子类，以支持多种具体文件系
统，但从效率考虑内核纯粹使用C语言编程，故并没有直接利用面向对象的语义。
下面的讨论使用了术语“对象”，实际上是一个结构体struct，但它代表的确实
是一个对象object。VFS由下列四个对象类型组成：
·超级块(super block)对象--代表一个文件系统。存放已安装的文件系统
的信息。如果是基于磁盘的文件系统，该对象便对应于存放在磁盘上的文件系统
控制块，亦即每个文件系统都对应一个超级块对象。
·索引节点(inode)对象--代表一个文件。存放一个具体文件的所有信息。
如果是基于磁盘的文件系统，该对象通常对应于存放在磁盘上的文件控制块，亦
即每个文件都有一个inode对象，而每个inode都有一个inode索引节点号，这
个号惟一地标识某个文件系统中的指定文件。
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