Виртуальная файловая система (VFS)

Проблема: много разных файловых систем

В одной системе одновременно работают: ext4 на системном разделе, FAT на флешке, NFS по сети, tmpfs в памяти, procfs и sysfs — вообще без диска. Каждая хранит данные по-своему. А программа просто вызывает open("/media/usb/a.txt") и read — и всё работает.

Зачем нужна VFS

Это вопрос 4(а) экзамена.

Виртуальная файловая система (VFS, Virtual File System, в System V — vnode/vfs) — слой ядра между системными вызовами и конкретными файловыми системами. Она определяет общую модель файла (объекты и их операции), а каждая ФС лишь реализует эти операции.

Что это даёт:

Единый интерфейс для программ: open, read, write, stat, mmap одинаково работают с любой ФС, устройствами, каналами, псевдофайлами.
Единое дерево: разные ФС монтируются в каталоги одного дерева; VFS при разборе пути переходит через точки монтирования.
Общий код один раз: разбор путей, проверка прав, кеш элементов каталогов (dentry cache), кеш inode, кеш страниц, блокировки файлов, учёт открытых файлов.
Расширяемость: новая ФС (даже модулем ядра) регистрируется и сразу работает со всеми программами.
Возможность сетевых и виртуальных ФС (NFS, procfs, FUSE), у которых нет диска.

программы: open() read() write() stat() mmap() ═══════════════════════ системные вызовы ════════════════════ ┌──────────────────────────────────────────┐ │ VFS: разбор путей, права, кеш dentry, │ │ кеш inode, кеш страниц, struct file │ └───┬──────────┬──────────┬──────────┬─────┘ │ ops │ ops │ ops │ ops ┌───▼──┐ ┌───▼──┐ ┌───▼───┐ ┌───▼────┐ │ ext4 │ │ vfat │ │ NFS │ │ procfs │ └───┬──┘ └───┬──┘ └───┬───┘ └────────┘ блочный уровень сеть (данные ядра) и драйверы дисков

Аналогия

VFS — универсальная розетка с переходниками. Прибору (программе) всё равно, откуда электричество; каждая электростанция (ФС) подключается к сети через свой переходник (таблицу операций).

Четыре объекта VFS (Linux)

Объект	Что описывает	Таблица операций
суперблок (`struct super_block`)	смонтированную ФС: тип, устройство, размер блока, корневой каталог, список inode, флаги монтирования	`super_operations`: создать/удалить/записать inode, `sync_fs`, `statfs`
индексный дескриптор (`struct inode`)	конкретный файл (объект ФС)	`inode_operations`: `lookup`, `create`, `link`, `unlink`, `mkdir`, `rename`, `permission`, `setattr`
элемент каталога (`struct dentry`)	компонент пути: связь «имя → inode» в каталоге-родителе; кешируется	`dentry_operations`
открытый файл (`struct file`)	файл, открытый процессом: позиция, режим, ссылка на dentry/inode	`file_operations`: `read_iter`, `write_iter`, `llseek`, `mmap`, `open`, `release`, `fsync`, `ioctl`

В System V и BSD аналогичная пара называется vfs (смонтированная ФС) и vnode (виртуальный индексный дескриптор).

Поля виртуального индексного дескриптора

Это вопрос 4(б). Удобно разбить поля на группы.

1. Атрибуты файла (копия с диска для дисковых ФС):

Поле Linux	Смысл
`i_ino`	номер inode
`i_mode`	тип файла и права
`i_uid`, `i_gid`	владелец и группа
`i_size`, `i_blocks`	размер в байтах и число блоков
`i_atime`, `i_mtime`, `i_ctime`	времена доступа, изменения данных и изменения inode
`i_nlink`	число жёстких ссылок
`i_rdev`	номер устройства (для файлов устройств)

2. Связь с остальным ядром:

Поле	Смысл
`i_sb`	указатель на суперблок — какой ФС принадлежит
`i_op`	таблица операций над inode (`inode_operations`)
`i_fop`	операции над файлом по умолчанию — копируются в `struct file` при `open`
`i_mapping` / `i_data`	`address_space`: кеш страниц файла и операции чтения/записи страниц
`i_dentry`	список элементов каталога (имён), ссылающихся на inode
объединение `i_pipe` / `i_bdev` / `i_cdev`	данные для каналов и устройств

3. Служебное состояние в памяти:

Поле	Смысл
`i_count`	счётчик использования в памяти (сколько dentry, file и т.д. на него ссылаются)
`i_state`	флаги: `I_DIRTY` (нужно записать на диск), `I_NEW`, `I_FREEING`
`i_lock`, `i_rwsem`	блокировки
`i_hash`, `i_lru`, `i_sb_list`	ссылки в хеш-таблице inode, списке LRU, списке суперблока
`i_flctx`	блокировки файла (`flock`, `fcntl`)
`i_private` / окружающая структура	данные конкретной ФС: ext4 встраивает `struct inode` в свой `ext4_inode_info` с адресами блоков

Классический vnode System V содержит то же по смыслу: v_type (тип), v_count (счётчик ссылок), v_flag, v_op (указатель на vnodeops), v_vfsp (ФС, которой принадлежит), v_vfsmountedhere (ФС, смонтированная на этот каталог), v_rdev (устройство), v_pages (страницы в памяти) и v_data — указатель на «настоящий» индексный дескриптор конкретной ФС.

Как отвечать на 4(б)

Назовите три группы: (1) атрибуты файла — номер, тип и права, владелец, размер, времена, число ссылок; (2) связи — ФС (суперблок), таблица операций, кеш страниц, данные конкретной ФС; (3) состояние в памяти — счётчик использования, флаги «грязный», блокировки, ссылки в кешах. И подчеркните главное: указатель на таблицу операций делает inode «виртуальным» — VFS вызывает функции, не зная, какая это ФС.

Путь системного вызова

read(fd, buf, 100);

fd → таблица дескрипторов процесса → struct file.
VFS вызывает file->f_op->read_iter(...) — функцию конкретной ФС (для ext4 — обобщённое чтение через кеш страниц).
Ищутся страницы в кеше страниц файла (inode->i_mapping).
Если нет — операции address_space ФС переводят смещение в номера блоков диска, блочный уровень отправляет запрос драйверу; процесс спит до завершения ввода-вывода.
Данные копируются в buf, file->f_pos += n.

Разбор пути при open тоже делает VFS: идёт по компонентам, ищет их в кеше dentry, при промахе вызывает inode->i_op->lookup каталога, проверяет права (permission), переходит через точки монтирования.

Итог

VFS — общий слой ядра: единый интерфейс, единое дерево, общий код и кеши, лёгкое добавление ФС.
Объекты: суперблок (ФС), inode (файл), dentry (имя в пути), file (открытый файл с позицией); у каждого таблица операций.
Виртуальный inode: атрибуты файла, связи (суперблок, операции, кеш страниц, данные ФС), состояние в памяти (счётчик, флаги, блокировки).
Позиция чтения — в struct file, а не в inode.

	Суперблок	Индексный дескриптор (inode)	Элемент каталога (dentry)	Открытый файл (file)
Смонтированная файловая система целиком
Конкретный файл: права, размер, владелец
Компонент пути «home» в /home/anna
Текущая позиция чтения процесса
Размер блока ФС и список всех её inode
Указатель на кеш страниц файла (address_space)