在宏观层面上，文件系统在内核中的运作流程可以概括为从虚拟文件系统（vfs）到实际磁盘文件系统的一系列步骤：vfs -> 磁盘缓存 -> 实际磁盘文件系统 -> 通用块设备层 -> io调度层 -> 块设备驱动层 -> 磁盘。具体的操作流程如图所示：

理解文件系统中的数据结构是理解Linux文件系统运作的关键。Linux中的文件系统包含几种核心数据结构：super_block、inode、dentry和file。

• super_block：这是磁盘文件系统（如XFS、EXT4）的内存表示。它包含了文件系统的基本信息和操作函数表，确保不同文件系统能够通过通用接口与VFS交互。

• inode：在Linux中，每个文件都有一个唯一的inode，它存储了文件的元数据，如文件大小、权限、时间戳等。inode还包含了指向文件内容的指针。

• dentry：dentry代表文件系统中的目录项，存储了文件名和指向其inode的指针。dentry帮助构建文件系统的目录结构。

• file：当文件被打开时，会为该文件创建一个file结构体实例，记录文件的当前状态，如打开标志和文件位置等。每个进程对文件的系统调用都会产生一个file实例。

这些数据结构通过函数表和私有数据实现了工厂设计模式，使得不同文件系统能够注册自己的实现方法，确保VFS能够与各种实际磁盘文件系统交互。

以下是各核心数据结构的简要代码描述：

// struct super_block 省略了一些字段，描述了核心字段
struct super_block {
    // 将super_block链接到s_list链表
    struct list_head s_list;
    // s_blocksize的位数
    unsigned char s_blocksize_bits;
    // 文件系统中块大小
    unsigned long s_blocksize;
    // 支持最大文件大小
    loff_t s_maxbytes;
    // 文件系统类型
    struct file_system_type *s_type;
    // super_block的操作函数
    const struct super_operations *s_op;
    // dentry函数操作定义
    const struct dentry_operations *s_d_op;
    // dentry的指针，指向根节点的root
    struct dentry *s_root;
    // 挂载该文件系统的挂载点组成的链表
    struct list_head s_mounts;
    // 同一种文件系统组成的链表
    struct hlist_node s_instances;
    // 实际文件系统的私有数据
    void *s_fs_info;
} __randomize_layout;

// 每个文件系统在初始化时都会先注册这个文件系统，file_system_type就是用来描述这个文件系统的
struct file_system_type {
    // 文件系统名称，比如ext4、xfs
    const char *name;
    // 实际文件提供的mount函数用来初始化super_block
    struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int, const char *, void *);
    // 释放文件系统的函数
    void (*kill_sb) (struct super_block *);
    // 内核模块描述
    struct module *owner;
    // file_system_type链表
    struct file_system_type *next;
    // 同一种文件系统super_block组成的链表
    struct hlist_head fs_supers;
};
// 比如ext4的file_system_type的类型
static struct file_system_type ext4_fs_type = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .name = "ext4",
    .mount = ext4_mount,
    .kill_sb = kill_block_super,
    .fs_flags = FS_REQUIRES_DEV,
};

// 文件系统中inode描述，其中说明了核心字段的函数
struct inode {
    // 文件类型
    umode_t i_mode;
    // uid/gid是描述文件的属主
    kuid_t i_uid;
    kgid_t i_gid;
    // inode的操作函数，这个是由具体文件系统决定
    const struct inode_operations *i_op;
    // inode属于的超级块
    struct super_block *i_sb;
    // page cache涉及到缓存管理
    struct address_space *i_mapping;
    // inode的编号，单个文件系统内这个是唯一的
    unsigned long i_ino;
    // inode所指向的文件大小
    loff_t i_size;
    // 文件的acess/mofidy/change时间
    struct timespec64 i_atime;
    struct timespec64 i_mtime;
    struct timespec64 i_ctime;
    // inode链接到哈希链表中
    struct hlist_node i_hash;
    // inode链接到super_block上
    struct list_head i_sb_list;
    union {
        // 进程打开文件时候的操作函数，这个是与文件类的系统调用对接
        const struct file_operations *i_fop;
        void (*free_inode)(struct inode *);
    };
    // inode的私有数据，一般存储实际文件系统的私有数据
    void *i_private; /* fs or device private pointer */
} __randomize_layout;

inode中的i_mapping用于缓存，其具体的关系如下：

// 文件系统的目录树是采用组织dentry来呈现
struct dentry {
    // 指向父目录的dentry
    struct dentry *d_parent;
    // 保存了文件名字和哈希值
    struct qstr d_name;
    // 该目录项指向的inode
    struct inode *d_inode;
    // 当目录项名称比较短的时候保存在这里
    unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN]; /* small names */
    // 定义dentry的操作函数，每个文件系统都针对d_op进行初始化
    const struct dentry_operations *d_op;
    // dentry私有数据
    void *d_fsdata; /* fs-specific data */
    union {
        struct list_head d_lru; /* LRU list */
        wait_queue_head_t *d_wait; /* in-lookup ones only */
    };
    // 当前dentry所有父目录项的链表
    struct list_head d_child; /* child of parent list */
    // 当前目录项下所有子目录项的链表
    struct list_head d_subdirs; /* our children */
} __randomize_layout;

// 每当进程打开一个文件都会实例化一个struct file，这里面包含了标准的posix语义的操作
struct file {
    // 文件路径
    struct path f_path;
    // 文件指向的inode
    struct inode *f_inode;
    // 定义struct file的操作函数
    const struct file_operations *f_op;
    // 文件的引用计数器
    atomic_long_t f_count;
    // 文件打开的flags
    unsigned int f_flags;
    // 文件的mode
    fmode_t f_mode;
    // 文件的当前位置
    loff_t f_pos;
    // struct file的私有数据
    void *private_data;
    // 文件的page cache相关的address_space
    struct address_space *f_mapping;
} __randomize_layout;

进程打开一个文件的呈现如下面所示：

# unix  # linux  # ai  # 结构体  # 指针  # 数据结构  # 接口  # 文件系统  # 链表  # 包含了  # 该文件  # 自己的  # 同一种  # 这是  # 都有  # 在这里 

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