Linux VFS 虛擬檔案系統機制深度解析：從註冊到掛載全流程

Linux VFS（Virtual Filesystem Switch）是檔案系統的核心抽象層，僅存在於記憶體中。本文基於 2.4.20 核心原始碼，追蹤檔案系統註冊、VFS 目錄樹建立、根檔案系統掛載、目錄建立（sys_mkdir）全流程，配合關鍵資料結構（super_block、dentry、inode、vfsmount）關係圖解。

三大模組架構

1. 系統呼叫層：open/read/write/mkdir 等使用者介面。
2. VFS 層：統一抽象，管理 super_block、dentry、inode、vfsmount 等記憶體物件。
3. 實體檔案系統：ext2、jffs、proc、rootfs 等，掛載至 VFS 目錄樹提供實際操作。

檔案系統註冊：file_systems 鏈表

struct file_system_type {
    const char *name;                    // "ext2", "proc", "rootfs"
    int fs_flags;                        // FS_REQUIRES_DEV 等
    struct super_block *(*read_super)(struct super_block *, void *, int);
    struct module *owner;
    struct file_system_type *next;       // 單向鏈表
    struct list_head fs_supers;          // 該類型所有 super_block
};

extern struct file_system_type *file_systems;  // 全域鏈表頭

register_filesystem() 將結構體實例掛入 file_systems 鏈表。

rootfs：VFS 存在的基石

rootfs 註冊在核心初始化早期（init_rootfs()），不經由 module_init：

struct file_system_type rootfs_fs_type = {
    .name = "rootfs",
    .read_super = ramfs_read_super,      // 實際操作導向 ramfs
    .fs_flags = FS_NOMOUNT | FS_LITTER,
};
register_filesystem(&rootfs_fs_type);

• FS_NOMOUNT：不可透過 mount(2) 手動掛載。
• ramfs_read_super：所有操作針對記憶體，完美契合 VFS 純記憶體特性。

VFS 目錄樹建立：init_mount_tree()

1. do_kern_mount("rootfs") → 分配 vfsmount、super_block、inode、dentry 四大核心物件。
2. ramfs_read_super() → ramfs_get_inode() 分配根目錄 inode，設定 i_op = &ramfs_dir_inode_operations、i_fop = &dcache_dir_ops。
3. d_alloc_root() 建立根 dentry（名稱 "/"），關聯 d_sb、d_inode。
4. vfsmount 關聯：mnt_sb → sb、mnt_root → dentry、mnt_mountpoint → dentry、mnt_parent → self。
5. 將 mnt、dentry 寫入 init_task 的 namespace、fs->pwd、fs->root，所有子進程繼承。

sys_mkdir("/dev") 實戰追蹤

1. sys_mkdir("/dev", 0700) → path_lookup("/dev", LOOKUP_PARENT, &nd)。
2. path_lookup 從 current->fs->root 起始，走訪路徑，回傳 nd：
   nd.dentry = 父目錄 "/" 的 dentry，nd.mnt = 根掛載點，nd.last.name = "dev"。
3. lookup_create(&nd, 1) 分配新 dentry（掛入父目錄 d_subdirs 鏈表）與新 inode（i_sb 指向同一 super_block）。
4. 呼叫 rootfs ramfs_mkdir()、ramfs_lookup() 完成實體操作。
5. 新目錄掛入 VFS 樹，dentry、inode、super_block、vfsmount 關係延伸。

關鍵資料結構關係圖

vfsmount (mnt)
  ├── mnt_sb ──────────→ super_block (sb)
  │                        ├── s_type → file_system_type ("rootfs")
  │                        ├── s_root → dentry ("/")
  │                        └── s_instances 鏈接同類型 sb
  ├── mnt_root ───────→ dentry ("/")
  │                        ├── d_sb → sb
  │                        ├── d_inode → inode (根目錄)
  │                        └── d_subdirs → 子目錄 dentry 鏈表
  ├── mnt_mountpoint → dentry ("/")
  └── mnt_parent ─────→ self (根掛載點)

inode (根目錄)
  ├── i_sb → sb
  ├── i_op → ramfs_dir_inode_operations
  └── i_fop → dcache_dir_ops

核心洞見

• VFS 目錄樹純記憶體結構，**目錄主要提供掛載點**，實際 I/O 委派給掛載檔案系統的 inode_operations/file_operations。
• 同一檔案系統下建立目錄**共用同一 super_block**，只新增 dentry + inode。
• namespace 機制讓每個進程擁有獨立掛載視圖，容器技術基石。

掌握 VFS 核心物件生命週期與關聯，是深入檔案系統開發、除錯掛載失敗、理解容器儲存隔離的前提。