Linux文件系统的设计

总论：

linux的文件系统设计非常优秀，总的来讲有两大部分，第一部分就是树形的组织结构，第二部分就是vfs，树形的组织结构组织了文件系统的表象，用户很方便的使用，而vfs是文件系统的实现机理，它处于内核态，不但实现了树形结构的mount机制，而且还提供了一个统一的接口用来访问设备。
一、Linux文件系统概述 
1、Linux文件系统组织 
Linux中使用树来组织文件系统。整个文件系统构成了一颗树，这棵树以/为根。整个系统有且只有这一颗文件树。这棵树描述了文件系统的拓扑结构，没有任何文件系统的类型信息。
2、mount机制 
linux使用mount机制扩展文件系统，使不同类型的文件系统可以挂载在系统的文件树的任何位置。mount机制使文件树有了类型属性，支持了不同类型的文件系统的挂载。
如图所示。
 
可以看到如果不考虑挂载点，整个文件系统就是一棵树，如果考虑了挂载点，这棵树原来是嫁接而成的，可以包含各种不同种类的文件系统。正如桥片扩展了总线一样，挂载点扩展了文件树，和扩展总线不同的是，任意目录都可以是挂载点，但是不是任意芯片都是可以作为桥的。(网桥/交换机扩展以太网也是一样的道理，和mount机制更加类似一些，因为你只需要插入一个多端口网卡就可以作为一个网桥了。)
3、mount机制的好处 
mount可以屏蔽文件系统的类型，所有类型的文件系统共享一棵树，但是实现却可以不相同。用户进程可以使用相同的系统调用接口访问所有的文件系统，而不必在意访问的文件是什么类型的。mount机制使一棵文件树得以多样化，然而又可以向用户屏蔽这种多样化。这种多样化是通过vfs实现的。
4、单棵树组织+mount扩展 
Linux的文件系统和磁盘并不绑定，文件系统就是一棵树，是一个虚拟的概念，没有介质，没有容量，没有读写规则，只有在挂载(mount)发生的时候，也就是具体的文件系统挂载的时候，某个挂载点才和介质建立联系，然而此时对于文件系统来讲仍然没有容量的概念，容量仅仅是挂载于此目录的磁盘设备的属性，如果磁盘空间满了，仍然可以通过在此磁盘的一个目录上mount一个新的文件系统来解决，而新的文件系统在一块新的磁盘上。
5、和Windows文件系统的对比 
Windows显式的分离了各种文件系统，虽然Windows在操作接口上也吸取了Unix中“一切皆文件”的思想。在接口级别，windows也使用相同的API来访问各类文件，比如ReadFile，WriteFile等，然而在操作级别，windows却没有实现一致性，在操作级别，windows的文件系统主要指以磁盘为介质的文件系统，因此windows没有必要用一棵树包含所有的文件，而是区分成了各个盘符，然而这种方式有个弊端，那就是不易扩展，因为单个盘符限制了容量，磁盘直接和文件系统绑定。因此，Windows不以单棵树树来组织文件系统，windows很难用mount来扩展文件系统。
二、VFS概述 
1、VFS 
虚拟文件系统或者虚拟文件插口，叫做插口更合适，也是官方的叫法，vfs向上和用户进程文件访问系统调用接口，如open，read，write等，向下和具体不同文件系统的实现接口，如read，write的不同实现。如下图所示：

2、VFS的重要性 
VFS屏蔽了具体文件的实现细节，向上提供统一的操作接口。通过VFS可以实现任意的文件系统，这些文件系统通过文件访问系统调用都可以访问。在操作系统内核中，vfs是对离用户态最近的一层，因为它的存在，linux的使用才变得方便。实际上，正是vfs实现了树形的文件系统组织，然而vfs的作用还不止这些，设备的文件抽象也是通过vfs来实现的。
3、VFS举例 
3.1、procfs
3.2、sysfs
3.3、cpusetfs
3.4、ntfs
3.5、extX
3.6、任意你想实现的。
需要做什么呢？只需要在一大堆switch函数例程中实现你的逻辑即可，就是说实现file_operations函数集合即可。注意，在linux中，文件和存储没有必然关系，实际上没有任何关系，也就是说linux中的文件有的不需要被存储，比如proc目录中的文件，只有在你read它的时候，数据才从内核出来，这个数据是内核逻辑提供的，而是可能实时变化，linux根本没有必要在另一个地方再存储它。
4、一个重要结论 
由于linux的树形文件系统是完全抽象的，因此它不和任何介质进行绑定，仅存在于内核当中，内核只要起来，这个虚拟的树就存在了，只是此时只有树根，然而linux此时却可以挂载任意类型的文件系统到这个树根，这样就可以实现很方便的定制，linux可以在initrd中挂载任意文件系统到树根，这是因为内核和文件系统是分离的概念，内核启动并不依赖任何文件系统。