Steve Kleiman 在 1986 年撰寫了《Vnodes: An Architecture for Multiple File System Types in Sun UNIX[3]》一文。這篇論文幅較短，大部分內(nèi)容是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的列舉，以及 C 語言結(jié)構(gòu)之間相互指向的圖表。

Steve Kleiman是分布式文件系統(tǒng)領(lǐng)域的專家，在 Sun Microsystem 工作了多年，曾參與開發(fā) Sun Network File System（NFS）等項目，為分布式文件系統(tǒng)領(lǐng)域做出了重要貢獻。

Kleiman 希望在 Unix 中能夠擁有多個文件系統(tǒng)，并希望這些文件系統(tǒng)能夠共享接口和內(nèi)存。具體而言，他希望設(shè)計一個能夠提供以下功能的架構(gòu)：

一個可以支持多個實現(xiàn)的通用接口；支持 BSD FFS，以及兩個遠程文件系統(tǒng) NFS 和 RFS，還有特定的非 Unix 文件系統(tǒng)，如 MS-DOS；接口定義的操作需要是原子性的。

并且，能夠在不影響性能的情況下動態(tài)地處理內(nèi)存和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，支持重入（reentrant) 和多核，并且具有一定面向?qū)ο筮M行編程的特性。

重入（reentrant) 是指程序或子程序在尚未完成上一次調(diào)用之前，可以再次被調(diào)用且不會出錯或發(fā)生沖突。

兩個抽象概念

Steven 研究了文件系統(tǒng)的各種操作，決定將他們抽象為兩個概念：

??vfs，虛擬文件系統(tǒng)，代表文件系統(tǒng)

??vnode，虛擬 inode，代表文件

vfs，虛擬文件系統(tǒng)，它提供統(tǒng)一的接口，使操作系統(tǒng)可以以一致的方式訪問不同的文件系統(tǒng)，無論是本地文件系統(tǒng)還是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。

vnode，虛擬 inode, 表示一個文件，每個文件都有一個相關(guān)聯(lián)的索引節(jié)點，其中包含了文件的元數(shù)據(jù)（如文件權(quán)限、所有者、大小等）以及指向文件數(shù)據(jù)存儲位置的指針。

采用了 C++風格（實際使用 C 語言），每一個類型會匹配一個虛函數(shù)表，通過虛函數(shù)表，系統(tǒng)在運行時根據(jù)對象的實際類型來調(diào)用適當?shù)奶摵瘮?shù)，實現(xiàn)動態(tài)綁定：

??對于 vfs 類型，其虛函數(shù)表 struct vfsops，包含了一系列的函數(shù)指針，用來執(zhí)行諸如 mount、unmount、sync 和 vget 等操作。在論文的后面，會解釋這些函數(shù)的原型和功能；

??對于 vnode 類型也是類似的，其虛函數(shù)表 struct vnodeops，包含 open、rdwr 和 close 等函數(shù)，還有create、unlink 和 rename 等函數(shù)。一些函數(shù)是針對特定的文件類型的，比如 readlink、mkdir、readdir 和 rmdir。

通過 vfs 對象來進行跟蹤實際的掛載，其虛函數(shù)表 struct vfsops 指向適用于該特定子樹的文件系統(tǒng)操作。

類似地，vnode 實例用來進行跟蹤打開的文件。它包含?struct *vnodeops?指針，作為 vfs 的一部分，有指針?struct *vfs?指向文件系統(tǒng)實例。

vfs 和 vnode 這兩個結(jié)構(gòu)體都需要一些用于存儲特定實現(xiàn)數(shù)據(jù)的字段（如“子類私有字段”）。他們都以?caddr_t ...data?指針結(jié)尾。這些私有數(shù)據(jù)并不是 vfs 和 vnode 的一部分，而是位于其他位置，并通過指針進行引用。

Vnodes 實操

在論文中，有一整頁的內(nèi)容專門用于展示各種相互指向的結(jié)構(gòu)。乍一看可能會感到困惑，但一旦追蹤下來，就會發(fā)現(xiàn)它非常直觀和優(yōu)雅。

Kleiman 詳細解釋了如何使用 lookuppn() 函數(shù)來解釋事物的工作原理，該函數(shù)替代了傳統(tǒng) Unix 中的 namei() 函數(shù)。類似于 namei() ，這個函數(shù)接受一個路徑，并返回表示該路徑所代表的 vnode 的 struct vnode 指針。

路徑遍歷始于根 vnode 或當前進程的當前目錄 vnode，具體取決于路徑的第一個字符是否為 /。

然后，這個函數(shù)會依次取出路徑的每一個子項，并調(diào)用當前 vnode 的 lookup 函數(shù)，它接受一個路徑子項和一個假設(shè)是目錄的當前 vnode，并返回代表那個子項的 vnode。

當一個目錄是個掛載點，它的 vfsmountedhere 會被設(shè)置為一個指向 struct vfs 的指針。lookuppn 函數(shù)會跟隨這個指針，并調(diào)用 vfs 的根函數(shù)，以獲取該文件系統(tǒng)的根 vnode，替換當前正在處理的 vnode。

反過來也是可能的：當解析父目錄（".. "）時，如果當前 vnode 的 "flags" 字段中設(shè)置了根標志，我們會跟隨 vfsmountedhere 指針從當前 vnode 到 vfs。然后，我們可以使用該 vfs 中的 vnodecovered 字段來獲取上層文件系統(tǒng)的 vnode。

無論如何，在成功完成后，會返回一個 struct vnode 指針，即所使用的路徑。

新增的系統(tǒng)調(diào)用

為了使系統(tǒng)高效地運行，需要添加一些新的系統(tǒng)調(diào)用來完善接口。

在 Unix 的歷史中，我們看到引入了 statsfs 和 fstatsfs ，通過這兩個函數(shù)可以獲得與用戶空間中的文件系統(tǒng)進行交互的接口。getdirentries 函數(shù)可以讓用戶一次性獲取多個目錄條目（取決于提供的緩沖區(qū)大小），這大大加快了遠程文件系統(tǒng)的目錄讀取速度。

在 Linux 系統(tǒng)中

通過查看 Linux 內(nèi)核源代碼，我們可以找到 Kleiman 設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)，盡管 Linux 內(nèi)核的復雜性和豐富性掩蓋了其中大部分內(nèi)容。Linux 內(nèi)核擁有豐富的文件系統(tǒng)類型，并且還添加了許多在 40 年前的 BSD 中不存在的功能。因此，我們可以找到更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)調(diào)用，它們被用于實現(xiàn)命名空間、配額、屬性、只讀模式、目錄名稱緩存等功能。

文件

如果你仔細觀察，原始的結(jié)構(gòu)仍然可以找到：Linux 內(nèi)存中的文件相關(guān)結(jié)構(gòu)分為兩部分，一個是已打開的文件，它是一個帶有當前位置的 inode；另一個是 inode，它代表整個文件。

我們可以在此處找到文件對象[4]，struct file 的實例。在文件的所有其他內(nèi)容中，最值得注意的是一個字段?loff_t f_pos，它表示文件當前位置距離文件起始位置的偏移量（以字節(jié)為單位）。

文件的類[5]是通過一個虛函數(shù)表來定義。我們可以找到一個指針?struct file_operations *f_op?。它展示了文件可以執(zhí)行的所有操作，其中最常見的是打開（open）、關(guān)閉（close）、定位（lseek）、讀取（read）和寫入（write）。

文件還包含指向 inode 的指針，即?struct inode *f_inode。

索引節(jié)點

對于不需要偏移量的文件操作，它們是針對整個文件進行的，定義為?struct inode *。

查看此處[6]的定義。我們可以看到這里還有其他的定義，40 年前的 BSD 中沒有類似的定義，比如 ACL（訪問控制列表）和屬性（attributes）。

我們發(fā)現(xiàn)?inode 的類[7]通過虛函數(shù)表來定義，即?struct inode_operations *i_op。同樣的，這其中很多函數(shù)涉及新特性，比如 ACL（訪問控制列表）和擴展屬性，但我們也會找到我們期望的功能，比如鏈接（link）、刪除（unlink）、重命名（rename）等。

Inode 還包含一個指向文件系統(tǒng)的指針，即?struct super_block *i_sb。

超級塊

掛載點用?struct super_block?來表示，在此處查看其定義。同樣地，它有?struct super_operations *s_op?定義的各個操作，在此處[8]查看其定義。

支持的文件系統(tǒng)不再有限，可以通過內(nèi)核模塊動態(tài)地添加新的文件系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?struct file_system_type?來表示，它只有一個用于創(chuàng)建 superblock 的工廠函數(shù) mount。

小結(jié)

Unix 發(fā)生了變化。它的運行時變得更加復雜，增加了許多新的功能，并增加了系統(tǒng)調(diào)用。系統(tǒng)變得更有結(jié)構(gòu)。

但是，由 Steve Kleiman 和 Bill Joy（BSD 操作系統(tǒng)的共同創(chuàng)始人之一） 構(gòu)思的原始設(shè)計和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)仍然存在，在當前的 Linux 系統(tǒng)中仍然可以找到，雖然已經(jīng)過去了 40 年。