【操作系统百科】VFS 四层抽象

“一切皆文件” 不是口号。ext4、btrfs、procfs、sysfs、FUSE、cgroupfs、网络 socket 都在同一套 VFS（Virtual File System）接口下被读写。VFS 的核心做法只有两条：用四个对象 superblock / inode / dentry / file 表达层次关系，再用操作表（function pointer struct）让每种文件系统注入自己的实现。本文按这个骨架讲清楚结构、缓存与 RCU 快路径。

参考实现以 Linux 6.x 主线为准，文件路径默认指向 include/linux/fs.h 与 include/linux/dcache.h。

一、先看图

flowchart TD
    APP[用户 open/read/write] --> FD[struct file<br/>fd 表项]
    FD --> DENTRY[struct dentry<br/>目录项缓存]
    DENTRY --> INODE[struct inode<br/>元数据]
    INODE --> SB[struct super_block<br/>文件系统实例]
    SB --> FS[具体 FS 实现<br/>ext4/btrfs/xfs...]
    FD -.f_op.-> FOP[file_operations<br/>read/write/mmap...]
    INODE -.i_op.-> IOP[inode_operations<br/>lookup/create/link...]
    SB -.s_op.-> SOP[super_operations<br/>alloc_inode/sync_fs...]
    classDef vfs fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef ops fill:#a371f722,stroke:#a371f7,color:#adbac7;
    class FD,DENTRY,INODE,SB vfs
    class FOP,IOP,SOP ops

二、superblock

每个挂载的文件系统实例一个 super_block：

struct super_block {
    struct list_head s_list;        // 全局链表
    dev_t s_dev;                    // 设备号
    unsigned long s_blocksize;
    struct file_system_type *s_type;
    const struct super_operations *s_op;
    struct dentry *s_root;          // 根 dentry
    struct hlist_bl_head s_roots;
    /* 其余字段省略 */
};

s_op 包含 alloc_inode、destroy_inode、sync_fs、statfs 等。

三、inode

每个文件/目录/符号链接一个 inode（内存中的）：

struct inode {
    umode_t i_mode;                 // 权限 + 文件类型
    kuid_t i_uid; kgid_t i_gid;
    loff_t i_size;
    struct timespec64 i_atime, i_mtime, i_ctime;
    const struct inode_operations *i_op;
    const struct file_operations *i_fop;
    struct super_block *i_sb;
    struct address_space *i_mapping;  // 页缓存
    unsigned long i_ino;
    /* 其余字段省略 */
};

• i_op：lookup、create、mkdir、rename、permission…
• i_fop：open 时复制给 struct file

inode 缓存（inode_cache）在 slab 里，hash 索引。

四、dentry

dentry 缓存路径组件 → inode 的映射：

struct dentry {
    struct dentry *d_parent;
    struct qstr d_name;             // 组件名：hash + len + name
    struct inode *d_inode;          // NULL = negative dentry
    const struct dentry_operations *d_op;
    struct super_block *d_sb;
    struct hlist_bl_node d_hash;    // dcache hash 桶
    struct list_head d_subdirs;
    /* 其余字段省略 */
};

dcache

全局 hash 表 dentry_hashtable：按 (parent, name_hash) 查。命中 dcache 的路径查找只需内存操作，不碰磁盘。

negative dentry

d_inode = NULL 表示”这个名字不存在”——缓存 ENOENT，避免重复磁盘查找。

cat /proc/sys/fs/dentry-state
# nr_dentry  nr_unused  age_limit  want_pages  nr_negative

五、struct file

open() 创建一个 struct file：

struct file {
    struct path f_path;             // {vfsmount, dentry}
    struct inode *f_inode;
    const struct file_operations *f_op;
    atomic_long_t f_count;          // 引用计数
    unsigned int f_flags;           // O_RDONLY / O_WRONLY / O_RDWR ...
    fmode_t f_mode;
    loff_t f_pos;                   // 当前偏移
    struct address_space *f_mapping;
    /* 其余字段省略 */
};

file 是”打开实例”——同一 inode 可有多个 file（多次 open）。

六、操作表模式

VFS 的设计模式：每层一个操作表（函数指针结构体），具体 FS 填充实现。

// ext4 注册
static const struct inode_operations ext4_dir_inode_operations = {
    .create     = ext4_create,
    .lookup     = ext4_lookup,
    .link       = ext4_link,
    .mkdir      = ext4_mkdir,
    /* 其余成员省略 */
};

这是经典的”C 语言面向对象”。

七、mount 与 vfsmount

struct vfsmount {
    struct dentry *mnt_root;
    struct super_block *mnt_sb;
    int mnt_flags;
};

mount -t ext4 /dev/sda1 /mnt → 创建 super_block + vfsmount + 根 dentry。

mount namespace 隔离不同进程看到的挂载树。

八、RCU 路径查找

路径查找入口是 path_lookupat()，正常情况下先进入 rcu-walk 快路径（设置 LOOKUP_RCU）：

1. 全程不取 dentry 引用计数，也不加锁。
2. RCU 读侧锁保护 dcache 链表的遍历。
3. 每一步用 read_seqcount_retry(&dentry->d_seq, ...) 校验 dentry / inode 是否被并发修改。
4. 一路成功 → 完成查找，整条路径几乎无原子操作开销。
5. 任一步骤校验失败、需要 I/O、需要 ->d_revalidate 等慢路径 → 通过 unlazy_walk() 降级到 ref-walk 模式：取引用计数、清掉 LOOKUP_RCU，从该 dentry 开始按常规加锁方式继续。

这套设计让 stat() / access() / 重复打开热路径文件这类高频操作几乎只付出内存访问成本。详细的状态机和 mount 穿越在下一篇 路径名解析 展开。

九、观察

# dcache / inode cache 大小（按 slab cache 计）
cat /proc/slabinfo | grep -E 'dentry|inode_cache'

# 当前挂载
cat /proc/mounts

# 内核已注册的文件系统类型
cat /proc/filesystems

# 系统级打开文件数
cat /proc/sys/fs/file-nr
# 输出三列：allocated  unused  max

# negative dentry 计数等
cat /proc/sys/fs/dentry-state

十、小结

• VFS 四层：superblock（FS 实例）→ inode（文件元数据）→ dentry（路径缓存）→ file（打开实例）
• ops 表是 C 语言的多态
• dcache + negative dentry 让路径查找命中内存
• RCU lookup 让热路径零锁

参考文献

• Documentation/filesystems/vfs.rst（最权威）
• Bovet & Cesati, “Understanding the Linux Kernel” 3rd §12
• Robert Love, “Linux Kernel Development” 3rd §13
• include/linux/fs.h、include/linux/dcache.h

工具

• /proc/slabinfo：观察 dentry、inode_cache 占用
• /proc/mounts、/proc/sys/fs/dentry-state、/proc/sys/fs/file-nr
• mountstats（来自 nfs-utils，可用于 NFS 挂载延迟拆解）
• bpftrace -e 'kprobe:vfs_read { @[comm]=count(); }' 之类的 eBPF/kprobe 观测 VFS 入口

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