Linux系统篇-文件系统虚拟文件系统（非常重要！）

发布时间：2018-08-25 17:35 所属栏目：117 来源：cpp软件架构狮

导读：看了之前的关于Linux内存管理和进程调度的文章，相比读者们应该对Linux有了大致的了解，本文的主题是Linux虚拟文件系统。闲话少说，开始！ 1.软链接和硬链接的区别我们知道文件都有文件名与数据，数据分两部分：用户数据 (user data) 与元数据 (metadata)

看了之前的关于Linux内存管理和进程调度的文章，相比读者们应该对Linux有了大致的了解，本文的主题是Linux虚拟文件系统。闲话少说，开始！

1.软链接和硬链接的区别

我们知道文件都有文件名与数据，数据分两部分：用户数据 (user data) 与元数据 (metadata)。用户数据，即文件数据块 (data block)，数据块是记录文件真实内容的地方；而元数据则是文件的附加属性，如文件大小、创建时间、所有者等信息。在 Linux 中，元数据中的 inode 号（inode 是文件元数据的一部分但其并不包含文件名，inode 号即索引节点号）才是文件的唯一标识而非文件名。文件名仅是为了方便人们的记忆和使用，系统或程序通过 inode 号寻找正确的文件数据块

为解决文件的共享使用，Linux 系统引入了两种链接：硬链接 (hard link) 与软链接（又称符号链接，即 soft link 或 symbolic link）。链接为 Linux 系统解决了文件的共享使用，还带来了隐藏文件路径、增加权限安全及节省存储等好处。若一个 inode 号对应多个文件名，则称这些文件为硬链接。硬链接就是同一个文件使用了多个别名

由于硬链接是有着相同 inode 号仅文件名不同的文件，因此硬链接存在以下几点特性：

文件有相同的 inode 及 data block；
只能对已存在的文件进行创建；
不能交叉文件系统进行硬链接的创建；
不能对目录进行创建，只可对文件创建；
删除一个硬链接文件并不影响其他有相同 inode 号的文件。

inode 号仅在各文件系统下是唯一的，当 Linux 挂载多个文件系统后将出现 inode 号重复的现象，因此硬链接创建时不可跨文件系统

软链接与硬链接不同，若文件用户数据块中存放的内容是另一文件的路径名的指向，则该文件就是软连接。软链接就是一个普通文件，只是数据块内容有点特殊。软链接有着自己的 inode 号以及用户数据块。因此软链接的创建与使用没有类似硬链接的诸多限制：

软链接有自己的文件属性及权限等；
可对不存在的文件或目录创建软链接；
软链接可交叉文件系统；
软链接可对文件或目录创建；
创建软链接时，链接计数 i_nlink 不会增加；
删除软链接并不影响被指向的文件，但若被指向的原文件被删除，则相关软连接被称为死链接（即 dangling link，若被指向路径文件被重新创建，死链接可恢复为正常的软链接）。
一般情况下，文件名和inode号码是"一一对应"关系，每个inode号码对应一个文件名。但是，Unix/Linux系统允许，多个文件名指向同一个inode号码。这意味着，可以用不同的文件名访问同样的内容；对文件内容进行修改，会影响到所有文件名；但是，删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。这种情况就被称为"硬链接"（hard link）。

2.Linux VFS

Linux 有着极其丰富的文件系统，大体上可分如下几类：

网络文件系统，如 nfs、cifs 等；
磁盘文件系统，如 ext4、ext3 等；
特殊文件系统，如 proc、sysfs、ramfs、tmpfs 等。

实现以上这些文件系统并在 Linux 下共存的基础就是 Linux VFS（Virtual File System 又称 Virtual Filesystem Switch），即虚拟文件系统。VFS 作为一个通用的文件系统，抽象了文件系统的四个基本概念：文件、目录项 (dentry)、索引节点 (inode) 及挂载点，其在内核中为用户空间层的文件系统提供了相关的接口。VFS 实现了 open()、read() 等系统调并使得 cp 等用户空间程序可跨文件系统。VFS 真正实现了上述内容中：在 Linux 中除进程之外一切皆是文件。

Linux VFS 存在四个基本对象：超级块对象 (superblock object)、索引节点对象 (inode object)、目录项对象 (dentry object) 及文件对象 (file object)。超级块对象代表一个已安装的文件系统；索引节点对象代表一个文件；目录项对象代表一个目录项，如设备文件 event5 在路径 /dev/input/event5 中，其存在四个目录项对象：/ 、dev/ 、input/ 及 event5。文件对象代表由进程打开的文件。为文件路径的快速解析，Linux VFS 设计了目录项缓存（Directory Entry Cache，即 dcache）。

3.文件的打开过程

open()系统调用的过程如下：

1.查看system-wide open-file table（系统打开文件表）中是否有该文件，即查看该文件是否已经被其他进程打开了

2.如果存在，那么该进程会在自己的per-process open-file table（进程打开文件表）中，建立一个项目，指向system-wide open-file table中的该文件

3.如果不存在，则需要根据file name在directory中查找该file，通常directory中的部分内容在cache中，这样可以加快搜索速度。

4.一旦文件被找到，那么FCB(file control block)文件控制块会被复制到system-wide open-file table中，该表不仅仅保存FCB，而且记录每个文件被多少个进程打开

5.接下来，在per-process open-file table（进程打开文件表）中，简直一个entry，指向进程打开文件表中该项目

当进程close()一个文件时：

1.该进程的per-process open-flle table中的对应项会被删除，系统打开表中的该文件计数器会减1

2.如果系统打开表中的计算为0，那么删除该文件项

4.inode的理解

操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区地读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个"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，即连续八个 sector组成一个 block。