虚拟文件系统
1.引入VFS的目的
为支持各种本机文件系统，且在同时允许访问其他操作系统文件，Linux内核在用户进程（或C标准库）和文件系统之间引入了一个抽象层，即虚拟文件系统（VFS）。
2.VFS的任务
- VFS用来提供一种操作文件、目录及其他对象的统一方法。
- VFS必须能够与各种方法给出的具体文件系统的实现达成妥协，这些实现在具体细节、总体设计方面都有一些不同之处。但VFS的回报很高，它使得Linux内核更加灵活了。
3.内核支持的文件系统
内核支持40多种文件系统，其来源各种各样：来自MS-DOS的FAT文件系统、UFS（Berkeley UNIX）、用于CD-ROM的iso9660、网络文件系统（如coda和NFS）和虚拟的文件系统（如proc）。
4.文件系统的类型
- 基于磁盘的文件系统，如EXT2/3、FAT等
- 虚拟文件系统，如proc
- 网络文件系统,是基于磁盘的文件系统和虚拟文件系统之间的折中。由于VFS抽象层的存在，用户空间进程不会看到本地文件系统与网络文件系统之间的区别。
5.通用文件模型
1）并非每一种文件系统都支持VFS中的所有抽象。设备文件无法存储在源自其他系统的文件系统中（如FAT），后者的设计没有考虑到此类对象。
为适配各种文件系统，VFS的方案如下：
提供一种结构模型，包含了一个强大文件系统所应具备的所有组件。但该模型只存在于虚拟中，必须使用各种对象和函数指针与每种文件系统适配。所有文件系统的实现都必须提供与VFS定义的结构配合的例程，以弥合两种视图之间的差异。
2）虚拟文件系统的结构 虚拟文件系统的结构并非是幻想出来的东西，而是基于描述经典文件系统所使用的结构。VFS抽象层的组织显然也与Ext2文件系统类似。所以在Ext2和VFS结构之间转换时，几乎不会损失时间。
3）在处理文件时，内核空间和用户空间使用的主要对象是不同的：
- 文件描述符：对用户程序来说，一个文件由一个文件描述符标识。文件描述符是在打开文件时由内核分配，只在一个进程内部有效。两个不同进程可以使用同样的文件描述符，但二者并不指向同一个文件。基于同一个描述符来共享文件是不可能的。
- inode：内核处理文件的关键是inode。每个文件（和目录）都有且只有一个对应的indoe，其中包含元数据（如访问权限、上次修改的日期，等等）和指向文件数据的指针。但inode并不包含一个重要的信息项，即文件名
6.inode
inode对文件实现来说是一个主要的概念，但它也用于实现目录。目录只是一种特殊的文件，它必须正确地解释。
inode的成员可能分为下面两类：
- 描述文件状态的元数据。例如，访问权限或上次修改的日期。
- 保存实际文件内容的数据段（或指向数据的指针）。就文本文件来说，用于保存文本。
下面以内核查找对应于/usr/bin/emacs的inode过程为例阐明如何用inode来构造文件系统的目录层次结构：
过程起始于查找根目录/的inode，对系统来说其必须总是已知的。该目录由一个inode表示，其数据段并不包含普通数据，而是根目录下的各个目录项。这些项可能代表文件或其他目录。每个项由两个成员组成。
（1）该目录项的数据所在inode的编号。
（2）文件或目录的名称。
系统中所有inode都有一个特定的编号，用于唯一地标识各个inode。文件名和inode之间的关联即通过该编号建立。
查找操作中的第一步是查找子目录usr的inode。这一步会扫描根inode的数据段，直至找到一个名为usr的目录项（如果查找失败，则返回File not found错误）。相关的inode可以根据inode编号定位。
重复上述步骤，但这一次在usr对应inode的数据段中查找名为bin的目录项，以便根据其inode编号定位inode。下一步在bin的inode数据段中，将查找名为emacs的目录项。这仍然会返回一个inode编号，这一次的inode表示文件而非目录。过程如下图：
7.链接
链接（link）:用于建立文件系统对象之间的联系，分为符号链接和硬链接。
符号链接，亦称为软链接，可以认为是“方向指针”，表示某个文件存在于特定的位置，但实际位置在其他地方。每个符号链接都使用了一个独立的inode，相应的inode的数据段包含一个字符串，给出了链接目标文件的路径，故目标文件删除时，符号链接仍然可以继续保持。对于符号链接可以区分原始文件和链接。
硬链接：在硬链接建立时，创建的目录项使用了一个现存的inode编号。这样，在硬链接建立后，无法区分哪个文件是原来的，哪个是后来建立的。创建/删除硬链接时运用了引用计数的技巧。只有当计数器归0时，才能确认该inode不再使用，可以从系统中删除该inode连同其数据段。
8.编程接口
用户进程和内核的VFS实现之间的接口是由系统调用组成的。文件使用之前，必须用open或openat系统调用打开。在成功打开后，内核向用户层返回一个非负整数，即文件描述符，起始于3。这个标识符号之所以不从0开始，是因为所有的进程都分配了前3个标识符（0~2）。0表示标准输入，1表示标准输出，2表示标准错误输出。
文件已经打开后，其名称便失去作用。它现在由其文件描述符唯一标识，所有其他库函数都需要传递文件描述符作为一个参数（进一步传递到系统调用）。如前所述，两个不同进程可以使用同样的文件描述符，但二者并不指向同一个文件。故而，对文件的唯一表示由一个特殊的数据结构（struct file）提供。
9.将文件作为通用接口
UNIX:万物皆文件（该规则有少数例外，如网络设备）。大多数内核导出、用户程序使用的函数都可以通过VFS定义的文件接口访问。以下是使用文件作为其主要通信手段的一部分内核子系统：
- 字符和块设备；
- 进程之间的管道；
- 用于所有网络协议的套接字；
- 用于交互式输入和输出的终端。
