Linux 文件系统架构与源码总览

1. 范围

fs/ 同时包含：

1. VFS：所有文件系统共享的对象模型和系统调用；
2. 文件 I/O 基础设施：页缓存、写回、direct I/O、iomap、pipe、poll；
3. 元数据基础设施：ACL、xattr、quota、locks、notify；
4. 挂载和 namespace；
5. 具体本地、内存、叠加、用户态及网络文件系统。

2. 分层

userspace
 open/read/write/stat/mmap/fsync/mount/ioctl/poll
                         |
 syscall entry: fs/*.c   |
                         v
 VFS: file_system_type / super_block / inode / dentry / file
                         |
 operation tables:
 super_operations / inode_operations / dentry_operations
 file_operations / address_space_operations / export_operations
                         |
 ext4/f2fs/xfs/btrfs/erofs/overlay/fuse/nfs/smb/ceph/...
                         |
 page cache / block layer / MTD / network / userspace daemon

VFS 不把所有文件系统变成相同实现，而是统一对象生命周期、权限、路径和调用约定。

3. 核心对象

对象	含义
file_system_type	文件系统类型注册项
fs_context	一次挂载配置过程
super_block	已挂载文件系统实例
vfsmount/mount	namespace 中挂载关系
inode	文件对象元数据和操作
dentry	名称到 inode 的缓存关系
path	dentry + mount
file	一次打开实例，绑定 flags/position/cred
address_space	inode 页缓存与 I/O 操作
files_struct	进程 fdtable
fs_struct	进程 root/pwd

4. 打开文件

路径解析优先走 dcache 的 RCU-walk，遇到需要阻塞、重验证或复杂符号链接时退化为 ref-walk。

5. 读写

read/write syscall
 -> fdget_pos()
 -> vfs_read/vfs_write
 -> rw_verify_area + security hooks
 -> file->f_op->read_iter/write_iter
 -> buffered: page cache/filemap
 -> direct: filesystem DIO/iomap
 -> block/network/userspace backend

VFS 负责通用检查和统计；数据一致性、extent、日志和真实 I/O 由具体文件系统实现。

6. 挂载

旧 mount(2) 与新 API 并存。新流程：

fsopen(type) -> fsconfig(parameters) -> fsmount()
 -> vfs_get_tree()
 -> filesystem get_tree/fill_super
 -> move_mount() attach into namespace

namespace.c 维护 mount tree、传播、bind/move/remount；super.c 管理 superblock 创建和销毁。

7. 缓存

• dcache：路径组件和 negative dentry；
• inode cache：内存 inode；
• page cache：文件数据 folio；
• buffer_head：传统块映射和 metadata buffer；
• filesystem-specific metadata cache；
• fscache/cachefiles：网络文件系统本地缓存。

缓存不是持久性保证。fsync()、日志提交、barrier/FUA 和设备缓存共同决定落盘语义。

8. 并发

关键同步包括：

• rename_lock、mount_lock seqlock；
• dentry d_lock；
• inode i_rwsem、i_lock；
• superblock s_umount；
• fdtable RCU；
• pathwalk RCU；
• page/folio lock、mapping i_pages xarray；
• filesystem transaction/journal locks。

锁顺序必须结合 Documentation/filesystems/ 和 lockdep，不可只按对象层级猜测。

9. RK3588

典型组合：

• eMMC/SD：ext4 或 f2fs；
• NVMe：ext4/xfs/btrfs（按产品需求）；
• 只读根文件系统：EROFS/SquashFS + OverlayFS；
• raw NAND：UBI + UBIFS；
• Android/容器：tmpfs、proc、sysfs、overlay；
• NAS/集群：NFS/SMB/Ceph。

性能同时受文件系统、块层、I/O scheduler、控制器、介质、内存回收和写回影响。