VFS中的file_operations与inode的关系

 

   每个进程在PCB（Process Control Block）中都保存着一份文件描述符表，文件描述符就是这个表的索引，每个表项都有一个指向已打开文件的指针，现在我们明确一下：已打开的文件在内核中用file结构体表示，文件描述符表中的指针指向file结构体。

在file结构体中维护File Status Flag（file结构体的成员f_flags）和当前读写位置（file结构体的成员f_pos）。在上图中，进程1和进程2都打开同一文件，但是对应不同的file结构体，因此可以有不同的File Status Flag和读写位置。file结构体中比较重要的成员还有f_count，表示引用计数（Reference Count），后面我们会讲到，dup、fork等系统调用会导致多个文件描述符指向同一个file结构体，例如有fd1和fd2都引用同一个file结构体，那么它的引用计数就是2，当close(fd1)时并不会释放file结构体，而只是把引用计数减到1，如果再close(fd2)，引用计数就会减到0同时释放file结构体，这才真的关闭了文件。

每个file结构体都指向一个file_operations结构体，这个结构体的成员都是函数指针，指向实现各种文件操作的内核函数。比如在用户程序中read一个文件描述符，read通过系统调用进入内核，然后找到这个文件描述符所指向的file结构体，找到file结构体所指向的file_operations结构体，调用它的read成员所指向的内核函数以完成用户请求。在用户程序中调用lseek、read、write、ioctl、open等函数，最终都由内核调用file_operations的各成员所指向的内核函数完成用户请求。file_operations结构体中的release成员用于完成用户程序的close请求，之所以叫release而不叫close是因为它不一定真的关闭文件，而是减少引用计数，只有引用计数减到0才关闭文件。对于同一个文件系统上打开的常规文件来说，read、write等文件操作的步骤和方法应该是一样的，调用的函数应该是相同的，所以图中的三个打开文件的file结构体指向同一个file_operations结构体。如果打开一个字符设备文件，那么它的read、write操作肯定和常规文件不一样，不是读写磁盘的数据块而是读写硬件设备，所以file结构体应该指向不同的file_operations结构体，其中的各种文件操作函数由该设备的驱动程序实现。

每个file结构体都有一个指向dentry结构体的指针，“dentry”是directory entry（目录项）的缩写。我们传给open、stat等函数的参数的是一个路径，例如/home/akaedu/a，需要根据路径找到文件的inode。为了减少读盘次数，内核缓存了目录的树状结构，称为dentry cache，其中每个节点是一个dentry结构体，只要沿着路径各部分的dentry搜索即可，从根目录/找到home目录，然后找到akaedu目录，然后找到文件a。dentry cache只保存最近访问过的目录项，如果要找的目录项在cache中没有，就要从磁盘读到内存中。

每个dentry结构体都有一个指针指向inode结构体。inode结构体保存着从磁盘inode读上来的信息。在上图的例子中，有两个dentry，分别表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b，它们都指向同一个inode，说明这两个文件互为硬链接。inode结构体中保存着从磁盘分区的inode读上来信息，例如所有者、文件大小、文件类型和权限位等。每个inode结构体都有一个指向inode_operations结构体的指针，后者也是一组函数指针指向一些完成文件目录操作的内核函数。和file_operations不同，inode_operations所指向的不是针对某一个文件进行操作的函数，而是影响文件和目录布局的函数，例如添加删除文件和目录、跟踪符号链接等等，属于同一文件系统的各inode结构体可以指向同一个inode_operations结构体。

inode结构体有一个指向super_block结构体的指针。super_block结构体保存着从磁盘分区的超级块读上来的信息，例如文件系统类型、块大小等。super_block结构体的s_root成员是一个指向dentry的指针，表示这个文件系统的根目录被mount到哪里，在上图的例子中这个分区被mount到/home目录下。

file、dentry、inode、super_block这几个结构体组成了VFS的核心概念。对于ext2文件系统来说，在磁盘存储布局上也有inode和超级块的概念，所以很容易和VFS中的概念建立对应关系。而另外一些文件系统格式来自非UNIX系统（例如Windows的FAT32、NTFS），可能没有inode或超级块这样的概念，但为了能mount到Linux系统，也只好在驱动程序中硬凑一下，在Linux下看FAT32和NTFS分区会发现权限位是错的，所有文件都是rwxrwxrwx，因为它们本来就没有inode和权限位的概念，这是硬凑出来的。

 

补充:

     在这个图上没有反应file_operations与inode的关系,特去查看了源码(/usr/include/fs.h)知

 

/*
 * Note that nosuid etc flags are inode-specific: setting some file-system
 * flags just means all the inodes inherit those flags by default. It might be
 * possible to override it selectively if you really wanted to with some
 * ioctl() that is not currently implemented.
 *
 * Exception: MS_RDONLY is always applied to the entire file system.
 *
 * Unfortunately, it is possible to change a filesystems flags with it mounted
 * with files in use.  This means that all of the inodes will not have their
 * i_flags updated.  Hence, i_flags no longer inherit the superblock mount
 * flags, so these have to be checked separately. -- [e-mail]
 */
#define __IS_FLG(inode,flg) ((inode)->i_sb->s_flags & (flg))

#define IS_RDONLY(inode) ((inode)->i_sb->s_flags & MS_RDONLY)
#define IS_SYNC(inode)		(__IS_FLG(inode, MS_SYNCHRONOUS) || \
					((inode)->i_flags & S_SYNC))
#define IS_DIRSYNC(inode)	(__IS_FLG(inode, MS_SYNCHRONOUS|MS_DIRSYNC) || \
					((inode)->i_flags & (S_SYNC|S_DIRSYNC)))
#define IS_MANDLOCK(inode)	__IS_FLG(inode, MS_MANDLOCK)
#define IS_NOATIME(inode)   __IS_FLG(inode, MS_RDONLY|MS_NOATIME)
#define IS_I_VERSION(inode)   __IS_FLG(inode, MS_I_VERSION)

#define IS_NOQUOTA(inode)	((inode)->i_flags & S_NOQUOTA)
#define IS_APPEND(inode)	((inode)->i_flags & S_APPEND)
#define IS_IMMUTABLE(inode)	((inode)->i_flags & S_IMMUTABLE)
#define IS_POSIXACL(inode)	__IS_FLG(inode, MS_POSIXACL)

#define IS_DEADDIR(inode)	((inode)->i_flags & S_DEAD)
#define IS_NOCMTIME(inode)	((inode)->i_flags & S_NOCMTIME)
#define IS_SWAPFILE(inode)	((inode)->i_flags & S_SWAPFILE)
#define IS_PRIVATE(inode)	((inode)->i_flags & S_PRIVATE)
#define IS_IMA(inode)		((inode)->i_flags & S_IMA)
#define IS_AUTOMOUNT(inode)	((inode)->i_flags & S_AUTOMOUNT)
#define IS_NOSEC(inode)		((inode)->i_flags & S_NOSEC)

 file_operations结构体中每个函数指针所指向的操作函数都是需要传进一个inode表项结构体的.