Module vfs

os

Module vfs 

Source
Expand description

虚拟文件系统（VFS）层

该模块提供了一个 POSIX 兼容的虚拟文件系统抽象，支持多种文件类型和文件系统的统一访问。

§组件

  • file - 会话层接口定义 (File trait)
  • inode - 存储层接口定义 (Inode trait)
  • dentry - 目录项结构和全局缓存
  • path - 路径解析引擎（绝对/相对路径、符号链接）
  • mount - 挂载表管理和挂载点栈
  • fd_table - 进程级文件描述符表
  • file_lock - POSIX 文件锁管理器
  • file_system - 文件系统抽象接口
  • impls - 具体文件类型实现（RegFile、PipeFile 等）
  • error - VFS 错误类型定义
  • dev/devno - 设备号管理和驱动注册

§设计概览

§分层架构

VFS 采用四层架构设计，从上到下依次为：

  1. 应用层：系统调用接口和文件描述符表 (FDTable)
  2. 会话层：有状态的文件操作接口 (File trait)，维护 offset 和 flags
  3. 路径层：目录树管理和路径解析 (Dentry、path 模块)
  4. 存储层：无状态的存储访问接口 (Inode trait)

§核心设计理念

§分离会话与存储

  • 会话层 (File)：每次 open() 创建新的 File 实例，维护独立的 offset 和 flags
  • 存储层 (Inode)：多个 File 可共享同一个 Inode，实现硬链接和 dup 语义
fd[3] ──┐
        ├──> Arc<RegFile> { offset: 100, ... }
fd[4] ──┘                     │
                              │
                              ▼
                         Arc<Dentry>
                              │
                              ▼
                         Arc<dyn Inode>

§目录项缓存

  • 全局缓存 (DENTRY_CACHE)：路径 → Weak<Dentry> 映射，避免重复解析
  • 树状缓存：Dentry 内部维护父子关系，加速相对路径查找
  • 自动失效：使用 Weak 引用，不再使用的 Dentry 自动回收

§挂载表管理

  • 最长前缀匹配：访问 /mnt/data/file 时自动选择最匹配的挂载点
  • 挂载点栈：同一路径可多次挂载，最后挂载的文件系统覆盖前面的
  • 全局单例 (MOUNT_TABLE)：所有挂载点的集中管理

§性能特点

  • 零拷贝读写：RegFile 直接调用 Inode 的 read_at/write_at，无额外拷贝
  • 原子偏移量：使用 AtomicUsize 管理文件偏移，无锁并发读写
  • 多级缓存：Dentry 缓存、挂载点缓存减少重复查找
  • 引用计数：使用 Arc/Weak 自动管理对象生命周期，无需手动释放

§并发安全

  • FDTable：内部使用 SpinLock 保护文件描述符数组
  • DentryCache：使用 SpinLock 保护全局缓存
  • MountTable：使用 SpinLock 保护挂载表
  • FileLockManager：使用 SpinLock 保护文件锁表

§文件类型

VFS 支持多种文件类型，所有类型都实现统一的 File trait：

  • RegFile: 普通文件 - 基于 Inode，支持 seek
  • PipeFile: 管道文件 - 环形缓冲区，流式设备
  • StdinFile/StdoutFile/StderrFile: 标准 I/O 文件
  • CharDevFile: 字符设备文件（串口、终端等）
  • BlkDevFile: 块设备文件（磁盘等）

§使用示例

§基本文件操作

use vfs::{vfs_lookup, RegFile, OpenFlags};
use alloc::sync::Arc;

// 1. 查找文件
let dentry = vfs_lookup("/etc/passwd")?;

// 2. 创建 File 对象
let file = Arc::new(RegFile::new(dentry, OpenFlags::O_RDONLY));

// 3. 读取数据
let mut buf = [0u8; 1024];
let n = file.read(&mut buf)?;

§使用文件描述符

// 分配文件描述符
let fd_table = current_task().lock().fd_table.clone();
let fd = fd_table.alloc(file)?;

// 通过 FD 访问文件
let file = fd_table.get(fd)?;
file.read(&mut buf)?;

// 关闭文件
fd_table.close(fd)?;

§挂载文件系统

use vfs::{MOUNT_TABLE, MountFlags};

// 创建文件系统
let tmpfs = Arc::new(TmpFs::new());

// 挂载到 /tmp
MOUNT_TABLE.mount(tmpfs, "/tmp", MountFlags::empty(), None)?;

// 访问挂载点下的文件
let dentry = vfs_lookup("/tmp/test.txt")?;

// 卸载
MOUNT_TABLE.umount("/tmp")?;

§创建管道

use vfs::PipeFile;

let (read_file, write_file) = PipeFile::create_pipe()?;

// 分配文件描述符
let read_fd = fd_table.alloc(read_file)?;
let write_fd = fd_table.alloc(write_file)?;

// 父子进程通过管道通信

Re-exports§

pub use adapter::inode_type_to_d_type;
pub use dentry::DENTRY_CACHE;
pub use dentry::Dentry;
pub use dentry::DentryCache;
pub use dev::major;
pub use dev::makedev;
pub use dev::minor;
pub use devno::get_blkdev_index;
pub use devno::get_chrdev_driver;
pub use error::FsError;
pub use fd_table::FDTable;
pub use file::File;
pub use file_lock::file_lock_manager;
pub use file_system::FileSystem;
pub use file_system::StatFs;
pub use impls::PipeFile;
pub use impls::RegFile;
pub use impls::StderrFile;
pub use impls::StdinFile;
pub use impls::StdoutFile;
pub use impls::create_stdio_files;
pub use inode::DirEntry;
pub use inode::FileMode;
pub use inode::Inode;
pub use inode::InodeMetadata;
pub use inode::InodeType;
pub use mount::MOUNT_TABLE;
pub use mount::MountFlags;
pub use mount::MountPoint;
pub use mount::MountTable;
pub use mount::get_root_dentry;
pub use path::normalize_path;
pub use path::parse_path;
pub use path::split_path;
pub use path::vfs_lookup;
pub use path::vfs_lookup_from;
pub use path::vfs_lookup_no_follow;
pub use crate::uapi::fcntl::FdFlags;
pub use crate::uapi::fcntl::OpenFlags;
pub use crate::uapi::fcntl::SeekWhence;
pub use crate::uapi::fs::LinuxDirent64;
pub use crate::uapi::fs::Stat;
pub use crate::uapi::time::TimeSpec;

Modules§

adapter
linux系统调用的适配器
dentry
目录项（Dentry）与全局缓存
dev
设备号工具函数
devno
设备号到驱动的硬编码映射
error
VFS 错误类型
fd_table
文件描述符表
file
文件抽象层 - VFS 会话层接口
file_lock
文件锁管理
file_system
impls
inode
Inode 抽象层 - VFS 存储层接口
mount
挂载表管理
path
路径解析引擎

Functions§

vfs_load_elf
从指定路径加载 ELF 文件内容