Linux内核学习轨迹第六部：VFS四大核心对象：super_block/inode/dentry/file（第二节）

2. VFS四大核心对象：super_block/inode/dentry/file全解析

四大核心对象是VFS的基石，它们分别描述了文件系统的不同维度，从静态的文件系统结构，到动态的进程文件交互，形成了完整的文件管理体系。本章节基于Linux 6.6内核源码（定义在include/linux/fs.h），完整拆解每个对象的核心字段、生命周期、相互关联关系。

2.1 超级块：struct super_block

struct super_block是一个已挂载的文件系统实例的全局描述符，对应磁盘上的文件系统超级块，存储了文件系统的类型、块大小、魔数、根目录、操作函数集、挂载参数等全局信息，是整个文件系统的「根」。

每个已挂载的文件系统，在内核中都有且仅有一个super_block实例，比如系统挂载了/（ext4）、/boot（vfat）、/proc（procfs），就会有三个对应的super_block实例。

2.1.1 核心字段拆解

struct super_block { // 超级块的链表节点，所有已挂载的super_block都链接到全局super_blocks链表 struct list_head s_list; // 设备标识符，块设备的设备号，伪文件系统为0 dev_t s_dev; // 文件系统的块大小，单位字节 unsigned long s_blocksize; // 块大小的位掩码，用于快速计算 unsigned char s_blocksize_bits; // 文件系统的魔数，用于识别文件系统类型，比如ext4的魔数是0xEF53 unsigned long s_magic; // 超级块的标志位，比如MS_RDONLY（只读挂载）、MS_NOSUID（禁止suid） unsigned long s_flags; // 挂载的次数，用于共享挂载 int s_count; // 超级块的读写信号量，保护超级块的修改 struct rw_semaphore s_umount; // 超级块的自旋锁 spinlock_t s_lock; // 超级块操作函数集，文件系统级别的操作接口 const struct super_operations *s_op; // 该文件系统的类型描述符，对应file_system_type结构体 struct file_system_type *s_type; // 该超级块对应的挂载实例 struct vfsmount *s_vfsmnt; // 文件系统的根目录dentry struct dentry *s_root; // inode相关字段 // 该文件系统的所有inode的哈希表 struct hlist_head *s_inodes; // 该文件系统的inode数量统计 atomic_long_t s_inodes_count; // 正在使用的inode数量 atomic_long_t s_active_inodes; // 脏inode链表，需要同步到磁盘的inode struct list_head s_inodes_dirty; // inode的LRU链表，用于inode缓存回收 struct list_head s_inodes_lru; // 目录项缓存相关字段 // 目录项缓存的收缩函数 int (*s_shrink)(struct super_block *sb, struct shrink_control *sc); // 文件系统的最大链接数 unsigned int s_max_links; // 时间戳的粒度，比如ext4是1纳秒 u32 s_time_gran; // 具体文件系统的私有数据，比如ext4的ext4_sb_info void *s_fs_info; // 挂载命名空间相关 struct user_namespace *s_user_ns; // 安全相关的钩子函数 struct security_hook_heads *s_security; } __randomize_layout;

2.1.2 核心字段深度解析

struct super_operations { // 分配一个新的inode struct inode *(*alloc_inode)(struct super_block *sb); // 释放inode void (*destroy_inode)(struct inode *inode); // 把inode的元数据同步到磁盘 void (*write_inode)(struct inode *inode, struct writeback_control *wbc); // 丢弃inode void (*evict_inode)(struct inode *inode); // 把文件系统的所有脏数据同步到磁盘 int (*sync_fs)(struct super_block *sb, int wait); // 冻结文件系统，用于快照 int (*freeze_super)(struct super_block *sb); // 解冻文件系统 int (*thaw_super)(struct super_block *sb); // umount时调用，释放超级块 void (*put_super)(struct super_block *sb); // 统计文件系统的磁盘使用情况 int (*statfs)(struct dentry *dentry, struct kstatfs *buf); };

2.1.3 生命周期

2.2 索引节点：struct inode

struct inode { // inode的哈希表节点，用于快速查找 struct hlist_node i_hash; // inode的链表节点，用于链接到super_block的inode链表 struct list_head i_list; // inode的LRU链表节点，用于缓存回收 struct list_head i_lru; // 脏inode链表节点，用于同步到磁盘 struct list_head i_io_list; // 该inode所属的超级块 struct super_block *i_sb; // inode号，文件系统内唯一，是文件的唯一标识 ino_t i_ino; // 硬链接计数，有多少个硬链接指向这个inode，为0时释放inode unsigned int i_nlink; // 文件的UID/GID kuid_t i_uid; kgid_t i_gid; // 文件的类型和权限，S_IFREG（普通文件）/S_IFDIR（目录）/S_IFCHR（字符设备）等 umode_t i_mode; // 文件的标志位，比如S_IMMUTABLE（不可修改） unsigned int i_flags; // 文件的锁 struct rw_semaphore i_rwsem; // 自旋锁 spinlock_t i_lock; // 文件的大小，单位字节 loff_t i_size; // 文件的块数量 blkcnt_t i_blocks; // 文件的块大小 unsigned int i_blkbits; // 时间戳 struct timespec64 i_atime; // 最后访问时间 struct timespec64 i_mtime; // 最后修改时间 struct timespec64 i_ctime; // 最后元数据修改时间 struct timespec64 i_btime; // 文件创建时间 // 操作函数集 // inode操作函数集，元数据相关操作 const struct inode_operations *i_op; // 文件操作函数集，IO相关操作，打开文件时会赋值给file->f_op const struct file_operations *i_fop; // 页缓存相关 // 该文件的页缓存address_space，管理文件的所有缓存页 struct address_space *i_mapping; struct address_space i_data; // 内嵌的address_space，普通文件直接使用 // 设备相关，设备文件的设备号 dev_t i_rdev; // 引用计数，有多少个地方引用了这个inode，为0时可以回收 refcount_t i_count; // 脏页标记，inode的元数据是否被修改 unsigned long i_state; // 安全相关 struct security_hook_heads *i_security; // 私有数据，具体文件系统使用，比如ext4的ext4_inode_info void *i_private; } __randomize_layout;

2.2.2 核心字段深度解析

struct inode_operations { // 创建一个新文件 int (*create)(struct mnt_idmap *idmap, struct inode *dir, struct dentry *dentry, umode_t mode, bool excl); // 创建一个硬链接 int (*link)(struct dentry *old_dentry, struct inode *dir, struct dentry *dentry); // 删除一个文件/硬链接 int (*unlink)(struct inode *dir, struct dentry *dentry); // 创建一个软链接 int (*symlink)(struct mnt_idmap *idmap, struct inode *dir, struct dentry *dentry, const char *symname); // 创建一个目录 int (*mkdir)(struct mnt_idmap *idmap, struct inode *dir, struct dentry *dentry, umode_t mode); // 删除一个目录 int (*rmdir)(struct inode *dir, struct dentry *dentry); // 重命名文件/目录 int (*rename)(struct mnt_idmap *idmap, struct inode *old_dir, struct dentry *old_dentry, struct inode *new_dir, struct dentry *new_dentry, unsigned int flags); // 读取软链接的目标路径 const char *(*get_link)(struct dentry *dentry, struct inode *inode, struct delayed_call *done); // 修改文件的权限 int (*setattr)(struct mnt_idmap *idmap, struct dentry *dentry, struct iattr *attr); // 获取文件的属性 int (*getattr)(struct mnt_idmap *idmap, const struct path *path, struct kstat *stat, u32 request_mask, unsigned int query_flags); };

2.2.3 生命周期

2.3 目录项：struct dentry

2.3.1 核心字段拆解

struct dentry { // 目录项的引用计数 refcount_t d_count; // 目录项的标志位，比如DCACHE_UNHASHED（未哈希）、DCACHE_MOUNTED（挂载点） unsigned int d_flags; // 自旋锁 spinlock_t d_lock; // 目录项的名称 struct qstr d_name; // 父目录的dentry，根目录的d_parent指向自己 struct dentry *d_parent; // 该dentry对应的inode，为NULL表示负dentry struct inode *d_inode; // 该dentry所属的超级块 struct super_block *d_sb; // 子目录项的哈希表，用于快速查找子目录/文件 struct hlist_head d_child; // 子目录项的链表，用于遍历该目录下的所有子项 struct list_head d_subdirs; // 兄弟目录项的链表节点，链接到父目录的d_subdirs链表 struct list_head d_child_list; // 目录项的LRU链表节点，用于dcache回收 struct list_head d_lru; // 目录项操作函数集 const struct dentry_operations *d_op; // 挂载相关，该dentry作为挂载点时，指向对应的vfsmount实例 struct vfsmount *d_mount; // 目录项的完整路径名缓存 char *d_iname; } __randomize_layout;

2.3.2 核心字段深度解析

struct dentry_operations { // 比较两个文件名是否相同，用于路径解析 int (*d_compare)(const struct dentry *dentry, unsigned int len, const char *str, const struct qstr *name); // 计算文件名的哈希值 int (*d_hash)(const struct dentry *dentry, struct qstr *name); // dentry被释放时调用 void (*d_release)(struct dentry *dentry); // 路径解析时，判断dentry是否有效 int (*d_revalidate)(struct dentry *dentry, unsigned int flags); };

2.3.3 生命周期与dcache

2.4 打开的文件实例：struct file

2.4.1 核心字段拆解

struct file { // 文件的引用计数 refcount_t f_count; // 文件的打开模式，O_RDONLY/O_WRONLY/O_RDWR/O_APPEND/O_NONBLOCK等 unsigned int f_mode; // 文件的打开标志，open()系统调用的flags参数 unsigned int f_flags; // 文件的当前读写偏移，lseek()修改的就是这个值 loff_t f_pos; // 保护f_pos的自旋锁 spinlock_t f_pos_lock; // 该文件对应的inode struct inode *f_inode; // 该文件对应的路径信息，包括dentry和vfsmount struct path f_path; #define f_dentry f_path.dentry #define f_vfsmnt f_path.mnt // 文件操作函数集，open()时从inode->i_fop复制过来 const struct file_operations *f_op; // 所属的进程文件描述符表 struct files_struct *f_files; // 对应的文件描述符fd unsigned int f_fd; // 异步IO相关 struct fown_struct f_owner; // 事件通知相关，poll/select/epoll使用 struct epoll_event f_epoll; // 私有数据，文件系统/驱动使用，比如ext4的私有数据、设备驱动的私有数据 void *private_data; // 安全相关 struct security_hook_heads *f_security; // 预读相关，文件的预读状态 struct file_ra_state f_ra; } __randomize_layout;

2.4.2 核心字段深度解析

struct file_operations { // 打开文件时调用 int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp); // 读文件 ssize_t (*read)(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos); // 写文件 ssize_t (*write)(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos); // 新的异步IO读写接口，替代传统的read/write ssize_t (*read_iter)(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *to); ssize_t (*write_iter)(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *from); // 调整文件读写偏移 loff_t (*llseek)(struct file *filp, loff_t offset, int whence); // 内存映射 int (*mmap)(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma); // 同步文件数据到磁盘 int (*fsync)(struct file *filp, loff_t start, loff_t end, int datasync); // 轮询文件事件，poll/select/epoll使用 __poll_t (*poll)(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait); // 控制文件，ioctl系统调用 long (*unlocked_ioctl)(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg); // 关闭文件时调用 int (*release)(struct inode *inode, struct file *filp); // 刷新文件的脏页 int (*flush)(struct file *filp, fl_owner_t id); };

2.4.3 生命周期

2.5 四大核心对象的关联关系

进程fd → struct file → struct dentry → struct inode → struct super_block → 具体文件系统实现