虚拟文件系统（VFS）

一、VFS 的角色

VFS（Virtual File System）是 Linux 内核对所有文件系统的抽象层：
- 统一接口（open/read/write/...）
- 上层（应用）透明
- 下层对接各种具体文件系统（ext4、vfat、proc、sysfs、...）

┌──────────────────────────┐
│  用户态：open/read/write │
├──────────────────────────┤
│  VFS（file_operations）   │
├──────────────────────────┤
│  具体文件系统（ext4...）   │
├──────────────────────────┤
│  通用块层 / 网络层        │
├──────────────────────────┤
│  设备驱动                 │
└──────────────────────────┘

二、四大对象

1. super_block（超级块）

一个挂载的文件系统
包含文件系统元信息（大小、块大小、统计）
struct super_block *sb;

2. inode（索引节点）

一个文件（或目录、设备）
包含元数据（大小、权限、时间、块位置）
不包含文件名
struct inode *inode;

3. dentry（目录项）

文件名 → inode 的映射
缓存作用（dcache）
树形结构
struct dentry *dentry;

4. file（打开文件）

一个进程打开一个文件的实例
文件位置、flags、私有数据
struct file *file;

四对象关系：

进程 fd_table
   ↓
[fd] → struct file
            ↓
       struct dentry
            ↓
       struct inode
            ↓
       struct super_block

三、关键结构

struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek)(struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    long (*unlocked_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*mmap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*open)(struct inode *, struct file *);
    int (*release)(struct inode *, struct file *);
    int (*fsync)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
    // ...
};

struct inode_operations {
    int (*create)(struct inode *, struct dentry *, umode_t, bool);
    struct dentry *(*lookup)(struct inode *, struct dentry *, unsigned);
    int (*link)(struct dentry *, struct inode *, struct dentry *);
    int (*unlink)(struct inode *, struct dentry *);
    int (*mkdir)(struct inode *, struct dentry *, umode_t);
    // ...
};

struct super_operations {
    struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *);
    void (*destroy_inode)(struct inode *);
    void (*write_super)(struct super_block *);
    int (*sync_fs)(struct super_block *, int);
    int (*remount_fs)(struct super_block *, int *, char *);
    void (*put_super)(struct super_block *);
    // ...
};

四、注册文件系统

#include <linux/fs.h>

static struct file_system_type my_fs_type = {
    .owner    = THIS_MODULE,
    .name     = "myfs",
    .mount    = myfs_mount,
    .kill_sb  = myfs_kill_sb,
    .fs_flags = FS_USERNS_MOUNT,
};
register_filesystem(&my_fs_type);
unregister_filesystem(&my_fs_type);

挂载：

mount -t myfs none /mnt/myfs

五、注册字符设备

详见 09-char-device.md。

六、调试 VFS

# /proc/filesystems：已注册文件系统
# /proc/mounts：挂载点
cat /proc/mounts
mount
findmnt

# dcache 状态
cat /proc/sys/fs/dentry-state

# inode 状态
cat /proc/sys/fs/inode-state

# 调试特定 inode
debugfs/.../inode_dump

七、嵌入式常用文件系统

FS	用途
ext4	通用
vfat	U盘、SD卡启动
tmpfs	/tmp、/run
devtmpfs	/dev
procfs	/proc
sysfs	/sys
squashfs	压缩只读 rootfs
jffs2 / ubifs	NAND 闪存
overlayfs	OTA、容器
f2fs	eMMC 优化

八、文件系统挂载流程

mount -t ext4 /dev/mmcblk0p2 /mnt
  ↓
sys_mount → do_mount → do_new_mount
  ↓
vfs_kern_mount(...)
  ↓
alloc_super → fill_super（读磁盘填充 sb）
  ↓
分配根 inode 和 dentry
  ↓
挂载成功

九、O_DIRECT / O_SYNC

O_DIRECT：绕过页缓存，直接读写（数据库常用）
O_SYNC / O_DSYNC：每次写都同步到磁盘
对延迟影响大，需谨慎

十、buffer_head 与 bio

buffer_head (bh)：传统方式，单块缓冲
bio：现代方式，可多个块，便于 merge、splite
块设备驱动现在用 bio