Last Update:2010/11/27

本文涉及VFS中数据结构有：struct file_system_type;struct vfsmount;struct fs_struct;struct files_struct;struct nameidata;struct qstr;

与文件系统相关的数据结构

VFS中使用file_system_type结构来描述一个具体的文件系统类型。也就是说，Linux支持的所有文件系统类型都分别唯一的对应一个file_system_type结构。如果某个具体文件类型的文件系统被安装到了系统中，那么系统就会创建一个vfsmount结构。这个结构用来描述一种文件系统类型的一个安装实例。

struct file_system_type

该结构位于yoursource/include/linux/fs.h中，下面对该结构中部分字段进行说明：

1736struct file_system_type {
1737        const char *name;
1738        int fs_flags;
1739        int (*get_sb) (struct file_system_type *, int,
1740                       const char *, void *, struct vfsmount *);
1741        void (*kill_sb) (struct super_block *);
1742        struct module *owner;
1743        struct file_system_type * next;
1744        struct list_head fs_supers;
1745
1746        struct lock_class_key s_lock_key;
1747        struct lock_class_key s_umount_key;
1748        struct lock_class_key s_vfs_rename_key;
1749
1750        struct lock_class_key i_lock_key;
1751        struct lock_class_key i_mutex_key;
1752        struct lock_class_key i_mutex_dir_key;
1753        struct lock_class_key i_alloc_sem_key;
1754};

name：文件系统的名字，不能为空；
get_sb：在安装文件系统时，调用此指针所指函数以在磁盘中获取超级块；
kill_sb：卸载文件文件系统时候，调用此指针所指函数以进行一些清理工作；
owner：如果一个文件系统以模块的形式加载到内核，则该字段用来说明哪个模块拥有这个结构。一般为THIS_MODULE；
next：所有的文件系统类型结构形成一个链表，该链表的头指针为全局变量file_systems（struct file_system_type *file_systems）。这个字段指向链表中下一个文件系统类型结构；
fs_supers：同一个文件系统类型下的所有超级块形成一个双联表，这个字段是这个双联表的头结点。超级块之间通过s_instances字段相互链接；

struct vfsmount

在解释这个结构的相关字段之前，我们很有必要了解一些概念。当我们安装linux时，硬盘上已经有了一个分区安装了ext3（或ext4）文件系统，这个文件系统被称之为根文件系统。系统安装完毕后，如果要继续安装其他文件系统，就需要挂载（mount）。具体的，将要安装的文件系统的根目录挂载到根文件系统的某个子目录上。这样，新安装的文件系统的根目录就是父文件系统下的某个子目录，我们将这个子目录称为安装点（mount point）。

该结构存储在yoursource/include/linux/mount.h中，下面对该结构的部分字段进行说明：

  49struct vfsmount {
  50        struct list_head mnt_hash;
  51        struct vfsmount *mnt_parent;    /* fs we are mounted on */
  52        struct dentry *mnt_mountpoint;  /* dentry of mountpoint */
  53        struct dentry *mnt_root;        /* root of the mounted tree */
  54        struct super_block *mnt_sb;     /* pointer to superblock */
  55        struct list_head mnt_mounts;    /* list of children, anchored here */
  56        struct list_head mnt_child;     /* and going through their mnt_child */
  57        int mnt_flags;
  63        const char *mnt_devname;        /* Name of device e.g. /dev/dsk/hda1 */
  64        struct list_head mnt_list;
…… ……
  71        int mnt_id;                     /* mount identifier */
  72        int mnt_group_id;               /* peer group identifier */
  78        atomic_t mnt_count;
  79        int mnt_expiry_mark;            /* true if marked for expiry */
  80        int mnt_pinned;
  81        int mnt_ghosts;
…… ……
  87};

mnt_hash：内核通过哈希表对vfsmount进行管理，当前vfsmount结构通过该字段链入相应哈希值对应的链表当中；
mnt_parent：指向父文件系统对应的vfsmount结构；
mnt_mountpoint：指向该文件系统安装点对应的dentry；
mnt_root：该文件系统对应的设备根目录的dentry；（两者是否指向同一个dentry？mnt_root是指向该文件系统设备根目录的dentry，具体这个dentry是什么？）
mnt_sb：指向该文件系统对应的超级块；
mnt_child：同一个父文件系统中的所有子文件系统通过该字段链接成双联表；
mnt_mounts：该字段是上述子文件系统形成的链表的头结点；
mnt_list：所有已安装的文件系统的vfsmount结构通过该字段链接在一起；

与路径查找有关的辅助结构

我们在使用open系统调用时，给该函数的第一个参数传递的是文件路径名。open函数对文件的操作最终会转化为对该文件inode的操作。VFS为了识别目标文件，会沿着路径逐层查找。因此，VFS中引入了nameidata结构。nameidata结构用于在路径查找过程中记录中间信息和查找结果。该结构体定义在yoursource/include/linux/namei.h中。

  18struct nameidata {
  19        struct path     path;
  20        struct qstr     last;
  21        struct path     root;
  22        unsigned int    flags;
  23        int             last_type;
  24        unsigned        depth;
  25        char *saved_names[MAX_NESTED_LINKS + 1];
  26
  27        /* Intent data */
  28        union {
  29                struct open_intent open;
  30        } intent;
  31};

33struct qstr {
34        unsigned int hash;
35        unsigned int len;
36        const unsigned char *name;
37};

与进程有关的数据结构

struct fs_struct

每个进程都有自己的根目录和当前的工作目录，内核使用struct fs_struct来记录这些信息，进程描述符中的fs字段便是指向该进程的fs_struct结构。该结构定义于yoursource/include/linux/fs_struct.h结构中。

   6struct fs_struct {
   7        int users;
   8        spinlock_t lock;
   9        int umask;
  10        int in_exec;
  11        struct path root, pwd;
  12};

users：用户数量；
lock：保护该结构的自旋锁；
umask：打开文件时设置的文件访问权限；
paroot：进程的根目录；
pwd：进程的当前工作目录；

struct files_struct

一个进程可能打开多个文件。所有被某个进程已打开的文件使用struct files_struct来记录。进程描述符的files字段便指向该进程的files_struct结构。该结构定义于yoursource/include/linux/fdtable.h中。

  44struct files_struct {
  48        atomic_t count;
  49        struct fdtable *fdt;
  50        struct fdtable fdtab;
  54        spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
  55        int next_fd;
  56        struct embedded_fd_set close_on_exec_init;
  57        struct embedded_fd_set open_fds_init;
  58        struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
  59};

count：引用计数；
fdtab：内核专门使用fdtable结构（该结构也称为文件描述符表）来描述文件描述符。该字段为初始的文件描述符表；
fdt：指向fdtab描述符表；
next_fd：最近关闭的文件描述符中数值最小的下一个可用的文件描述符；
close_on_exec_init：执行exec()时需要关闭的文件描述符；
open_fds_init：当前已经打开的文件描述符；
fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]：文件对象的初始化数组；

我们都知道open函数正确执行后会返回一个整形的文件描述符，其实这个整数便是fd_arrary数组的下标。我们所说的标准输入文件、标准输出文件和标准错误文件分别是这个数组的0、1和2号元素。

通常在x86体系架构中NR_OPEN_DEFAULT的大小为32，难道一个进程最多只可以打开32个文件吗？当然不是，我们在上述的字段描述中，对fdtab和fd_array都用“初始化”来修饰。也就是说，当一个进程打开的文件数目超过32的时候，内核就分配一个更大的文件对象指针数组（fd_array中的文件对象指针也会被“复制”新的数组中），以便可以存放更多打开文件所对应的file结构体的指针。

上述字段已经说过，内核通过专门的struct fdtable来描述文件描述符表。该结构定义在yoursource/include/linux/file.h中。

  32struct fdtable {
  33        unsigned int max_fds;
  34        struct file ** fd;      /* current fd array */
  35        fd_set *close_on_exec;
  36        fd_set *open_fds;
  37        struct rcu_head rcu;
  38        struct fdtable *next;
  39};

max_fds：当前文件对象数组中元素的个数；
fd：指向当前文件对象数组，初始指向fd_arrary；
close_on_exec：执行exec时要关闭的文件描述符，初始指向close_on_exec_init；
open_fds：当前已经打开的文件描述符，初始指向open_fds_init；