windows 虚拟文件系统 虚拟文件系统VFS的工作原理及应用

　　windows 虚拟文件系统，随着计算机技术的不断发展，虚拟化技术也逐渐成为企业信息化建设的重要组成部分。其中Windows虚拟文件系统（VFS）作为Windows操作系统中的一种重要虚拟化技术，具有非常重要的应用意义。本文将重点介绍Windows VFS的工作原理及其应用，以帮助读者更深入了解这一技术的实现方式与优势，为企业信息化建设提供更有价值的参考。

虚拟文件系统VFS的工作原理及应用

虚拟文件系统，简称 VFS（Virtual Filesystem），是一个内核软件层。

概括地讲，VFS 有两个作用：

以下列出以下常见的文件系统类型，本文暂时不对其进行详细分析。

VFS 设计的初衷就是要支持所有的文件系统，所以它的设计思想其实就是以面向对象的方式，设计一个通用的文件模型，出于效率考虑，VFS 还是 C 语言写的。在通用文件系统模型中，每个目录也被当作一个文件，可以包含若干文件和其他的子目录。因此，Linux 有一句经典的话：一切皆文件。

Linux VFS 抽象出 4 种类型的数据结构，实现将不同类型的文件系统挂载到目录结构中。

对于磁盘类文件系统，超级块是存放在磁盘上的文件系统控制块。里面存放已安装文件系统的有关信息，换句话说，一个超级块描述了一个具体的文件系统信息，里面的信息十分重要，也叫元数据，与普通的文件数据相比，元数据丢失会损坏整个文件系统，导致无法挂载之类的问题。

struct super_block {
  struct list_head s_list; // 超级快链表指针
  dev_t s_dev;  // 设备表示符
  unsigned char s_blocksize_bits; //以位为单位的块的大小
  unsigned long s_blocksize; //以字节为单位的块大小
  loff_t s_maxbytes; //文件大小的上限
  struct file_system_type *s_type;  //指向文件系统的file_system_type 数据结构的指针
  const struct super_operations *s_op; //超级块方法
  const struct dquot_operations *dq_op; //磁盘限额方法
  const struct quotactl_ops *s_qcop; //限额控制方法
  const struct export_operations *s_export_op;  //导出方法
  unsigned long s_flags;  //登录标志
  unsigned long s_magic; //文件系统的魔术字
  struct dentry *s_root;  //目录登录点
  struct rw_semaphore s_umount; //卸载信号量
  int s_count; //超级块引用计数
  atomic_t s_active; //活动引用记数
  #ifdef CONFIG_SECURITY
  void *s_security; //安全模块
  #endif
  const struct xattr_handler **s_xattr;
  struct list_head s_inodes; //把所有索引对象链接在一起，存放的是头结点
  struct hlist_bl_head s_anon; //匿名目录项
  struct list_head s_mounts; /* list of mounts; _not_ for fs use */
  struct block_device *s_bdev; //相关的块设备
  struct backing_dev_info *s_bdi;
  struct mtd_info *s_mtd;
  struct hlist_node s_instances; //该类型文件系统
  unsigned int  s_quota_types; /* Bitmask of supported quota types */
  struct quota_info s_dquot;//限额相关选项
  struct sb_writers s_writers;
  char s_id[32]; /* Informational name */
  u8 s_uuid[16]; /* UUID */
  void *s_fs_info; /* Filesystem private info */
  unsigned int s_max_links;
  fmode_t s_mode;
  u32 s_time_gran;
  struct mutex s_vfs_rename_mutex; /* Kludge */
  char *s_subtype;
  char __rcu *s_options;
  const struct dentry_operations *s_d_op; /* default d_op for dentries */
  int cleancache_poolid;
  struct shrinker s_shrink; /* per-sb shrinker handle */
  atomic_long_t s_remove_count;
  int s_readonly_remount;
  struct workqueue_struct *s_dio_done_wq;
  struct hlist_head s_pins;
  struct list_lru s_dentry_lru ____cacheline_aligned_in_smp;
  struct list_lru s_inode_lru ____cacheline_aligned_in_smp;
  struct rcu_head rcu;
  int s_stack_depth;
};

索引节点存放关于具体文件的一般信息。对于磁盘类文件系统，索引节点也是存放在磁盘上的文件控制块。每个索引节点都有一个索引节点号，这个节点号唯一地标识了文件系统中的文件。

struct inode {
 umode_t i_mode; //访问权限控制
 unsigned short i_opflags;
 kuid_t i_uid; //使用者的id
 kgid_t i_gid; //使用组id
 unsigned int i_flags; //文件系统标志
#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
 struct posix_acl *i_acl;
 struct posix_acl *i_default_acl;
#endif
 const struct inode_operations *i_op; //指向索引结点操作结构体的指针
 struct super_block *i_sb; //指向inode所属文件系统的超级块的指针
 struct address_space *i_mapping; //相关的地址映射
#ifdef CONFIG_SECURITY
 void *i_security; //安全模块
#endif
 unsigned long i_ino; //索引结点号。通过ls -i命令可以查看文件的索引节点号
 union {
  const unsigned int i_nlink; //硬链接数
  unsigned int __i_nlink;
 };
 dev_t i_rdev; //实际设备标识符号
 loff_t i_size; //以字节为单位
 struct timespec i_atime; //最后访问时间
 struct timespec i_mtime; //最后修改时间
 struct timespec i_ctime; //最后改变时间
 spinlock_t i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */
 unsigned short i_bytes; //使用的字节数
 unsigned int i_blkbits; 以位为单位的块大小
 blkcnt_t i_blocks; //文件的块数
#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED
 seqcount_t i_size_seqcount;
#endif
 unsigned long i_state; //状态标志
 struct mutex i_mutex;
 unsigned long dirtied_when; //首次修改时间
 unsigned long dirtied_time_when;
 struct hlist_node i_hash; //散列表
 struct list_head i_wb_list; /* backing dev IO list */
 struct list_head i_lru;  /* inode LRU list */
 struct list_head i_sb_list; //链接一个文件系统中所有inode的链表
 union {
  struct hlist_head i_dentry; //目录项链表
  struct rcu_head  i_rcu;
 };
 u64 i_version; //版本号
 atomic_t i_count; //引用计数
 atomic_t i_dio_count;
 atomic_t i_writecount; //写者计数
#ifdef CONFIG_IMA
 atomic_t i_readcount; /* struct files open RO */
#endif
 const struct file_operations *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */
 struct file_lock_context *i_flctx;
 struct address_space i_data; //设备地址映射
 struct list_head i_devices; //块设备链表
 union {
  struct pipe_inode_info *i_pipe; //管道信息
  struct block_device *i_bdev; //块设备
  struct cdev  *i_cdev; //字符设备
 };
 __u32 i_generation; //索引节点版本号
#ifdef CONFIG_FSNOTIFY
 __u32 i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */
 struct hlist_head i_fsnotify_marks;
#endif
 void *i_private; /* fs or device private pointer */
};

存放 dentry 与对应文件链接的有关信息，每个 dentry 代表路径中的一个特定部分，每个磁盘类文件系统以自己的方式将目录项信息存放在磁盘上。

struct dentry {
 /* RCU lookup touched fields */
 unsigned int d_flags; /* protected by d_lock */
 seqcount_t d_seq; /* per dentry seqlock */
 struct hlist_bl_node d_hash; /* lookup hash list */
 struct dentry *d_parent; /* parent directory */
 struct qstr d_name;
 struct inode *d_inode; /* Where the name belongs to - NULL is negative */
 unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; /* small names */

 /* Ref lookup also touches following */
 struct lockref d_lockref; /* per-dentry lock and refcount */
 const struct dentry_operations *d_op;
 struct super_block *d_sb; /* The root of the dentry tree */
 unsigned long d_time; /* used by d_revalidate */
 void *d_fsdata; /* fs-specific data */

 struct list_head d_lru; /* LRU list */
 struct list_head d_child; /* child of parent list */
 struct list_head d_subdirs; /* our children */
 /*
  * d_alias and d_rcu can share memory
  */
 union {
  struct hlist_node d_alias; /* inode alias list */
   struct rcu_head d_rcu;
 } d_u;
};

存放被打开文件与进程间交互的信息，这类信息仅当进程访问文件期间存放在内存中。

struct file {
 union {
  struct llist_node fu_llist; //每个文件系统中被打开的文件都会形成一个双链表
  struct rcu_head  fu_rcuhead;
 } f_u;
 struct path f_path;
 struct inode *f_inode; /* cached value */
 const struct file_operations *f_op; //指向文件操作表的指针
 spinlock_t f_lock;
 atomic_long_t f_count; //文件对象的使用计数
 unsigned int  f_flags; //打开文件时所指定的标志
 fmode_t f_mode; //文件的访问模式
 struct mutex f_pos_lock;
 loff_t f_pos; //文件当前的位移量
 struct fown_struct f_owner;
 const struct cred *f_cred;
 struct file_ra_state f_ra; //预读状态
 u64 f_version; //版本号
#ifdef CONFIG_SECURITY
 void *f_security; //安全模块
#endif
 /* needed for tty driver, and maybe others */
 void *private_data;
#ifdef CONFIG_EPOLL
 /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
 struct list_head f_ep_links;
 struct list_head f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
 struct address_space *f_mapping;  //页缓存映射
} __attribute__((aligned(4))); /* lest something weird decides that 2 is OK */
struct file_handle {
 __u32 handle_bytes;
 int handle_type;
 /* file identifier */
 unsigned char f_handle[0];
};

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综上所述，Windows虚拟文件系统作为操作系统中重要的一部分，能够有效地管理所有不同类型的文件系统，提高了操作系统内核的灵活性和可扩展性。同时其应用还涉及到高速缓存、文件加密、虚拟化等方面，为系统性能提升和数据安全提供了重要保障。