明天这篇是系列文章“50 years in filesystems”的最初一篇，再次感激作者 KRISTIAN KÖHNTOPP 带来的这组精彩文章，为计算畛域的硬核爱好者提供了一次难得的学习和思考机会。对于文件系统的历史和倒退，你有什么样的观点？欢送在后盾给咱们留言。
Steve Kleiman 在 1986 年撰写了《Vnodes: An Architecture for Multiple File System Types in Sun UNIX》一文。这篇论文幅较短，大部分内容是数据结构的列举，以及 C 语言构造之间互相指向的图表。
Steve Kleiman 是分布式文件系统畛域的专家，在 Sun Microsystem 工作了多年，曾参加开发 Sun Network File System（NFS）等我的项目，为分布式文件系统畛域做出了重要奉献。
Kleiman 心愿在 Unix 中可能领有多个文件系统，并心愿这些文件系统可能共享接口和内存。具体而言，他心愿设计一个可能提供以下性能的架构：
一个能够反对多个实现的通用接口；
反对 BSD FFS，以及两个近程文件系统 NFS 和 RFS，还有特定的非 Unix 文件系统，如 MS-DOS；
接口定义的操作须要是原子性的。
并且，可能在不影响性能的状况下动静地解决内存和数据结构，反对重入（reentrant) 和多核，并且具备肯定面向对象进行编程的个性。
重入（reentrant) 是指程序或子程序在尚未实现上一次调用之前，能够再次被调用且不会出错或发生冲突。
两个抽象概念
Steven 钻研了文件系统的各种操作，决定将他们形象为两个概念：
- vfs，虚构文件系统，代表文件系统
- vnode，虚构 inode，代表文件
vfs，虚构文件系统，它提供对立的接口，使操作系统能够以统一的形式拜访不同的文件系统，无论是本地文件系统还是网络文件系统。
vnode，虚构 inode, 示意一个文件，每个文件都有一个相关联的索引节点，其中蕴含了文件的元数据（如文件权限、所有者、大小等）以及指向文件数据存储地位的指针。
采纳了 C++ 格调（理论应用 C 语言），每一个类型会匹配一个虚函数表，通过虚函数表，零碎在运行时依据对象的理论类型来调用适当的虚函数，实现动静绑定：
- 对于 vfs 类型，其虚函数表 struct vfsops，蕴含了一系列的函数指针，用来执行诸如 mount、unmount、sync 和 vget 等操作。在论文的前面，会解释这些函数的原型和性能；
- 对于 vnode 类型也是相似的，其虚函数表 struct vnodeops，蕴含 open、rdwr 和 close 等函数，还有 create、unlink 和 rename 等函数。一些函数是针对特定的文件类型的，比方 readlink、mkdir、readdir 和 rmdir。
通过 vfs 对象来进行跟踪理论的挂载，其虚函数表 struct vfsops 指向实用于该特定子树的文件系统操作。
相似地，vnode 实例用来进行跟踪关上的文件。它蕴含 struct *vnodeops 指针，作为 vfs 的一部分，有指针 struct *vfs 指向文件系统实例。
vfs 和 vnode 这两个构造体都须要一些用于存储特定实现数据的字段（如“子类公有字段”）。他们都以 caddr_t ...data 指针结尾。这些公有数据并不是 vfs 和 vnode 的一部分，而是位于其余地位，并通过指针进行援用。
Vnodes 实操
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在论文中，有一整页的内容专门用于展现各种互相指向的构造。乍一看可能会感到困惑，但一旦追踪下来，就会发现它十分直观和优雅。
Kleiman 具体解释了如何应用 lookuppn() 函数来解释事物的工作原理，该函数代替了传统 Unix 中的 namei() 函数。相似于 namei()，这个函数承受一个门路，并返回示意该门路所代表的 vnode 的 struct vnode 指针。
门路遍历始于根 vnode 或以后过程的当前目录 vnode，具体取决于门路的第一个字符是否为 /。
而后，这个函数会顺次取出门路的每一个子项，并调用以后 vnode 的 lookup 函数，它承受一个门路子项和一个假如是目录的以后 vnode，并返回代表那个子项的 vnode。
当一个目录是个挂载点，它的 vfsmountedhere 会被设置为一个指向 struct vfs 的指针。lookuppn 函数会追随这个指针，并调用 vfs 的根函数，以获取该文件系统的根 vnode，替换以后正在解决的 vnode。
反过来也是可能的：当解析父目录（”.. “）时，如果以后 vnode 的 “flags” 字段中设置了根标记，咱们会追随 vfsmountedhere 指针从以后 vnode 到 vfs。而后，咱们能够应用该 vfs 中的 vnodecovered 字段来获取下层文件系统的 vnode。
无论如何，在胜利实现后，会返回一个 struct vnode 指针，即所应用的门路。
新增的零碎调用
为了使零碎高效地运行，须要增加一些新的零碎调用来欠缺接口。
在 Unix 的历史中，咱们看到引入了 statsfs 和 fstatsfs，通过这两个函数能够取得与用户空间中的文件系统进行交互的接口。getdirentries 函数能够让用户一次性获取多个目录条目（取决于提供的缓冲区大小），这大大放慢了近程文件系统的目录读取速度。
在 Linux 零碎中
通过查看 Linux 内核源代码，咱们能够找到 Kleiman 设计的总体构造，只管 Linux 内核的复杂性和丰富性覆盖了其中大部分内容。Linux 内核领有丰盛的文件系统类型，并且还增加了许多在 40 年前的 BSD 中不存在的性能。因而，咱们能够找到更多的数据结构和零碎调用，它们被用于实现命名空间、配额、属性、只读模式、目录名称缓存等性能。
文件
如果你仔细观察，原始的构造依然能够找到：Linux 内存中的文件相干构造分为两局部，一个是已关上的文件，它是一个带有以后地位的 inode；另一个是 inode，它代表整个文件。
咱们能够在此处找到文件对象，struct file 的实例。在文件的所有其余内容中，最值得注意的是一个字段 loff_t f_pos，它示意文件以后地位间隔文件起始地位的偏移量（以字节为单位）。
文件的类 ) 是通过一个虚函数表来定义。咱们能够找到一个指针 struct file_operations *f_op。它展现了文件能够执行的所有操作，其中最常见的是关上（open）、敞开（close）、定位（lseek）、读取（read）和写入（write）。
文件还蕴含指向 inode 的指针，即 struct inode *f_inode。
索引节点
对于不须要偏移量的文件操作，它们是针对整个文件进行的，定义为 struct inode *。
查看此处的定义。咱们能够看到这里还有其余的定义，40 年前的 BSD 中没有相似的定义，比方 ACL（访问控制列表）和属性（attributes）。
咱们发现 inode 的类 ) 通过虚函数表来定义，即 struct inode_operations *i_op。同样的，这其中很多函数波及新个性，比方 ACL（访问控制列表）和扩大属性，但咱们也会找到咱们冀望的性能，比方链接（link）、删除（unlink）、重命名（rename）等。
Inode 还蕴含一个指向文件系统的指针，即 struct super_block *i_sb。
超级块
挂载点用 struct super_block 来示意，在此处查看其定义。同样地，它有 struct super_operations *s_op 定义的各个操作，在此处查看其定义。
反对的文件系统不再无限，能够通过内核模块动静地增加新的文件系统，通过数据结构 struct file_system_type 来示意，它只有一个用于创立 superblock 的工厂函数 mount。
小结
Unix 产生了变动。它的运行时变得更加简单，减少了许多新的性能，并减少了零碎调用。零碎变得更有构造。
然而，由 Steve Kleiman 和 Bill Joy（BSD 操作系统的独特创始人之一）构思的原始设计和数据结构依然存在，在以后的 Linux 零碎中依然能够找到，尽管曾经过来了 40 年。
- 文件系统考古 1：1974-Unix V7 File System
- 文件系统考古 2：1984 – BSD Fast Filing System
- 文件系统考古 3：1994 – The SGI XFS Filesystem