VFS 核心数据结构
1. 模块架构
1.1 功能概述
VFS 核心数据结构包括 super_block、inode、dentry、file 等，它们共同构成了 Linux 虚拟文件系统的基石。
1.2 关键源文件
| 文件 | 作用 |
|---|---|
include/linux/fs.h | 核心数据结构定义 |
include/linux/mount.h | 挂载点结构 |
include/linux/dcache.h | 目录项结构 |
include/linux/fs/super_types.h | superblock 类型 |
2. struct super_block
2.1 定义
c
// include/linux/fs/super_types.h:132
struct super_block {
struct list_head s_list; // 全局链表
dev_t s_dev; // 设备号
unsigned char s_blocksize_bits;
unsigned long s_blocksize;
loff_t s_maxbytes; // 最大文件大小
struct file_system_type *s_type; // 文件系统类型
const struct super_operations *s_op; // superblock 操作
struct dentry *s_root; // 根目录 dentry
struct rw_semaphore s_umount; // 卸载信号量
int s_count; // 引用计数
atomic_t s_active; // 活跃计数
unsigned long s_flags; // 挂载标志
unsigned long s_magic; // 文件系统魔数
void *s_fs_info; // 文件系统私有数据
struct block_device *s_bdev; // 块设备
struct backing_dev_info *s_bdi; // 回写设备信息
struct list_head s_inodes; // inode 链表
struct list_lru s_dentry_lru; // dentry LRU
struct list_lru s_inode_lru; // inode LRU
};2.2 关键成员说明
| 成员 | 类型 | 用途 |
|---|---|---|
s_list | struct list_head | 链接到全局 super_blocks 链表 |
s_root | struct dentry * | 文件系统根目录的 dentry |
s_op | const struct super_operations * | 指向 superblock 操作函数表 |
s_type | struct file_system_type * | 文件系统类型描述符 |
s_count | int | 引用计数 |
s_active | atomic_t | 活跃引用计数 (mount 使用) |
3. struct inode
3.1 定义
c
// include/linux/fs.h:766
struct inode {
umode_t i_mode; // 文件类型和权限
unsigned short i_opflags;
kuid_t i_uid; // 用户 ID
kgid_t i_gid; // 组 ID
const struct inode_operations *i_op; // inode 操作
struct super_block *i_sb; // 所属超级块
struct address_space *i_mapping; // 地址空间
unsigned long i_ino; // inode 编号
union {
unsigned int i_nlink; // 硬链接计数
atomic_t i_dio_count;
};
dev_t i_rdev; // 设备号
loff_t i_size; // 文件大小
struct timespec64 i_atime; // 访问时间
struct timespec64 i_mtime; // 修改时间
struct timespec64 i_ctime; // 状态改变时间
struct timespec64 i_btime; // 创建时间
atomic_t i_count; // 引用计数
atomic_t i_dio_count;
struct ext *i_ext; // 扩展属性
struct list_head i_dentry; // dentry 别名链表
unsigned long i_state;
struct inode *i_parent; // 父 inode
struct dentry *i_dentry; // 主 dentry
unsigned long i_flags;
struct file_lock_context *i_flctx;
struct address_space i_data;
struct list_head i_wb_list;
// ...
};3.2 inode 状态标志
c
// include/linux/fs.h
enum {
I_LOCK = 0,
I_NEW = 1,
I_DIRTY_INODE = 2,
I_DIRTY_PAGES = 3,
I_FREEING = 4,
I_CLEAR = 5,
I_SYNC = 6,
};4. struct dentry
4.1 定义
c
// include/linux/dcache.h:92
struct dentry {
unsigned int d_flags; // 标志
seqcount_spinlock_t d_seq; // RCU 序列号
struct hlist_bl_node d_hash; // 哈希链表节点
struct dentry *d_parent; // 父目录
struct qstr d_name; // 文件名
struct inode *d_inode; // 关联的 inode
const struct dentry_operations *d_op; // dentry 操作
struct super_block *d_sb; // 所属超级块
struct lockref d_lockref; // 锁和引用计数
struct list_head d_lru; // LRU 链表
struct hlist_node d_sib; // 同级节点
struct hlist_head d_children; // 子目录链表
union {
struct hlist_node d_alias; // inode 别名
struct rcu_head d_rcu; // RCU 头
} d_u;
};4.2 dentry 状态
c
// include/linux/dcache.h
#define DCACHE_ENTRY_TYPE (7 << 19)
#define DCACHE_MISS_TYPE (0 << 19)
#define DCACHE_DIRECTORY_TYPE (2 << 19)
#define DCACHE_REGULAR_TYPE (4 << 19)
#define DCACHE_SYMLINK_TYPE (6 << 19)
#define DCACHE_LRU_LIST BIT(18)
#define DCACHE_DISCONNECTED BIT(5)
#define DCACHE_REFERENCED BIT(6)5. struct file
5.1 定义
c
// include/linux/fs.h:1259
struct file {
union {
const struct file_operations *f_op; // 文件操作
const struct path *f_path;
};
struct address_space *f_mapping; // 地址空间
void *private_data; // 私有数据
struct inode *f_inode; // 关联 inode
unsigned int f_flags; // open 标志
fmode_t f_mode; // 文件模式
loff_t f_pos; // 文件位置
struct fown_struct *f_owner; // 文件所有者
const struct cred *f_cred; // 凭证
struct path f_path; // 文件路径
file_ref_t f_ref; // 引用计数
// ...
};6. struct vfsmount
6.1 定义
c
// include/linux/mount.h:58
struct vfsmount {
struct dentry *mnt_root; // 挂载树根目录
struct super_block *mnt_sb; // 超级块
int mnt_flags; // 挂载标志
struct mnt_idmap *mnt_idmap; // UID/GID 映射
};6.2 挂载标志
c
#define MNT_NOSUID 0x01 // 不执行 setuid
#define MNT_NODEV 0x02 // 不允许访问设备
#define MNT_NOEXEC 0x04 // 不允许执行
#define MNT_NOATIME 0x08 // 不更新访问时间
#define MNT_NODIRATIME 0x10 // 不更新目录访问时间
#define MNT_RELATIME 0x20 // 相对 atime
#define MNT_READONLY 0x40 // 只读7. 数据结构关系图
super_block
|
+-- s_root ──────> dentry (根目录)
| |
| +-- d_parent ──> dentry (父目录)
| |
| +-- d_inode ───> inode
|
+-- s_op ─────────> super_operations
|
+-- s_type ──────> file_system_type
inode
|
+-- i_sb ─────────> super_block
|
+-- i_op ─────────> inode_operations
|
+-- i_mapping ────> address_space
|
+-- i_dentry ─────> dentry (通过 d_alias)
file
|
+-- f_inode ──────> inode
|
+-- f_op ─────────> file_operations
|
+-- f_path ───────> path
|
+-- dentry
+-- vfsmount8. 数据结构创建/销毁流程
8.1 super_block 创建
c
// fs/super.c
struct super_block *alloc_super(struct file_system_type *type, ...)
{
// 1. 分配内存
s = kzalloc_obj(struct super_block);
// 2. 初始化信号量和锁
init_rwsem(&s->s_umount);
// 3. 初始化 LRU 列表
list_lru_init(&s->s_dentry_lru);
list_lru_init(&s->s_inode_lru);
// 4. 设置引用计数
s->s_count = 1;
atomic_set(&s->s_active, 1);
return s;
}8.2 inode 创建
c
// fs/inode.c
struct inode *alloc_inode(struct super_block *sb)
{
const struct super_operations *ops = sb->s_op;
struct inode *inode;
// 1. 优先使用文件系统特定的分配
if (ops->alloc_inode)
inode = ops->alloc_inode(sb);
else
inode = alloc_inode_sb(sb, inode_cachep, GFP_KERNEL);
// 2. 初始化
inode_init_always(sb, inode);
return inode;
}8.3 dentry 创建
c
// fs/dcache.c
struct dentry *d_alloc(struct dentry *parent, const struct qstr *name)
{
struct dentry *dentry;
// 1. 从 slab 缓存分配
dentry = kmem_cache_alloc(dentry_cache, GFP_KERNEL);
// 2. 初始化
dentry->d_name = name;
dentry->d_parent = parent;
dentry->d_inode = NULL;
lockref_init(&dentry->d_lockref);
return dentry;
}