Linux上的文件系统

通过虚拟文件系统(VFS)对抽象文件系统操作，它即提供了接口供用户程序与文件系统交互（通过系统调用如打开、读取、修改文件权限，获取文件信息，等等），又提供了一个文件系统必须实现的接口。这使得多个文件系统可以共存，并提供相同的操作和语义，VFS提供所有这些文件系统的统一的命名空间视图给用户。

在这个命名空间里，文件系统挂载在不同的目录。例如，在一个典型的Linux系统硬盘可能安装在根目录，/，/ dev，/ proc， / sys， / mnt， / cdrom所有挂载的不同文件系统可能在不同的设备上。举例来说，Linux上使用的文件系统包括ext4，rfs，FAT以及其他。

VFS通过使用大量的数据结实现了文件系统操作的各种系统调用，比如索引节点，目录项和文件，以及相关文件系统必须实现的回调函数。

索引节点（Inode）

inode是VFS中使用核心数据结构。它代表一个文件系统对象如一个常规文件、目录、符号链接，等等。一个inode包括文件类型，大小，权限，最后修改时间和其他属性等信息。对于许多常见的Linux磁盘文件系统，如ext4，磁盘上用来表示文件元数据的数据结构直接对应于Linux内核使用的inode结构。

虽然一个索引节点代表一个文件，但它不代表一个文件名。一个文件可能有多个名称或硬链接，但只有一个inode。

文件系统提供了一个查找函数来回调VFS，用来检索特定文件的inode，它是基于父inode和孩子的名字。文件系统必须实现其他一些inode操作，如修改权限，获取文件信息，打开文件等等。

目录项

VFS使用目录项缓存来表示文件系统名称空间。目录项只存在于内存中，并包含一个指向该文件的inode。举个例子,如果你有一个像/home/user/foo这样的路径，那么就有一个目录项对应于home，user和foo，每个都有一个指针指向一个inode。目录项是快速查找时的缓存，但如果一个条目在缓存中没有，就用inode查找操作来从文件系统中检索索引节点，然后就可以创建一个新的目录项。

文件对象

当一个inode被打开，就创建了一个文件的的文件对象，它会记录该文件的很多信息，如跟踪文件偏移量、文件是只读，只写，还是两者兼而有之。文件系统必须提供的文件操作，如读read、写write、同步sync等。
 

文件描述符

应用程序通过文件描述符引用到文件对象。它们在一个进程中都是唯一的值，指向进程所打开的文件。文件描述符可以指向其他提供文件接口的对象，在Linux中，提供文件接口的对象包括tty、套接字和管道。多个文件描述符可以指向相同的文件对象，例如可使用dup系统调用获得同一个文件对象的文件描述符。

特殊的文件类型

除了常规的文件和目录，Linux支持许多额外的文件类型。包括设备文件、fifo、套接字和符号链接。

其中有些文件会影响路径解析。符号链接是一种特殊文件，指向一个不同的文件或目录，并通过VFS对符号链接指向的文件进行无缝地处理。如果你打开路径/foo/bar/baz，并且bar是/zed的一个符号链接，那么你实际打开的就是/zed/baz。

类似地，可以使用一个目录作为另一个文件系统的挂载点。在这种情况下，当一个路径包含这个目录，那么挂载点下面所有inode的操作实际都会在新的文件系统上。

特殊文件系统和伪文件系统

Linux使用许多并不从磁盘读取文件的文件系统。TmpFs作为临时内存文件系统使用，其内容将不会持久化。ProcFs和SysFs提供进程的内核信息、设备和驱动程序访问。这些文件系统没有相关的磁盘、网络或其他设备，而是由内核虚拟化出来的。

Windows上的文件系统

Windows将所有系统资源都泛化成对象。这些不仅包括文件，而且还包括线程，共享内存段，计时器，这里仅举几例。所有打开文件的请求最终都通过NT内核对象管理器，它通过I/O管理器将请求路由到正确的文件系统驱动程序。在Windows上文件系统驱动程序实现的接口更通用，并只需要更少的需求。例如，没有类似的公共的inode结构，也没有目录项；相反，文件系统驱动程序如ntfs.sys负责解析路径和打开文件对象。

Windows文件系统虽然也可以挂载到其它文件系统的目录中，但通常是挂载到诸如Ｃ：和Ｄ：这样的驱动器号上。这些驱动器号实际上是一种Win32的结构，对象管理器是不能直接对其进行处理的。对象管理器使用的命名空间和Linux文件系统的命名空间有点类似，它的根目录是\，文件系统卷标用路径为\设备名\硬盘卷标１这样的设备对象来表示。

当我们使用C:\foo\bar这样的路径打开某个文件时，Win32的CreateFile函数将其转换成一个NT路径，形式为“\Dos设备名\C:\foo\bar”，这里的“\Dos设备名\C:”通常是一个符号链接，例如，链接到“\设备名\硬盘卷标4”。因此，该文件真正的完整路径应当是“\设备名\硬盘卷标4\foo\bar”。由对象管理器确定路径中的每个组成部分，直到遇到了设备对象，这和Linux中的VFS很类似。这时候，对象管理器将请求提交给I\O管理器，I\O管理器创建一个包含剩余路径的I\O请求包（IRP），将该请求包发送至文件系统驱动器以确定设备名。

文件对象

当打开某个文件时，对象管理器会为该文件创建一个文件对象。对象管理器提供指向文件对象的句柄，而不是文件描述符。实际上，句柄可以指向任意的对象管理器对象，而不只是文件。

当你调用某个系统调用时，比如NtReadFile（通常使用Win32的ReadFile函数），I/O管理器会再次创建一个发送给文件系统驱动器的IRP（输入\输入请求包），以使文件对象可以执行此请求。

因为在NT中没有索引节点或者类似的东西，所以Windows中针对文件的绝大部分操作都需要一个文件对象。

Windows系统仅能支持两种文件类型：普通文件和目录。文件和目录都可以成为重新解析点，重解析点是具有固定的头部和任意数据块的特殊文件。头部包括一个用来标识重解析点类型的标签，并且必须通过文件系统过滤器进行处理，头部也可能包括内置的重解析点类型，也就是I/O管理器本身。

重解析点用来实现符号链接和挂载点。在这些情况下，标签表示重解析点是一个符号链接或挂载点，和重解析点相关联的数据中包括了链接目标或挂载点的卷标名。重解析点也可以具有其它的用途，比如作为Windows8系统中OneDrive使用的占位符文件。

大小写敏感

不像Linux，Windows文件系统默认情况下是不区分大小写的。实际上，Windows和NTFS是支持大小写敏感的，只是默认不启用而已。

WSL中的文件系统

Windows上的Linux子系统（WSL）必须将各种Linux文件系统操作转换成NT内核操作。 WSL必须提供一块控件来存放Linux系统文件，来支撑所有的功能，包括Linux权限，符号链接和其他特殊文件如FIFO；它还必须提供访问你系统中Windows卷的能力；它还必须提供一些特殊的文件系统比如ProcFs。

为了做到这些，WSL实现了一个VFS组件，它是仿照Linux上的 VFS。总架构如下所示。

当一个应用程序调用一个系统调用，它是被系统调用层处理，系统调用层定义了各种内核功能项如open、read、 chmod和stat等等。对于这些文件相关的系统调用，系统调用层几乎不做什么处理；它基本上就是把请求传递给VFS。

对于使用了路径的操作（比如open或者stat），VFS使用目录项缓存来解析路径。如果一个目录项不在缓存中，它调用文件系统插件中的某一个插件来生成这个目录项的inode。这些插件提供inode操作，比如查找，更改权限以及其他，很类似于Linux内核中对inode的操作。 当文件被打开时， VFS使用文件系统的inode打开操作来生成一个文件对象，并返回这个文件对象的文件描述符。对于文件描述符的系统调用（比如read, write或者 sync）直接调用文件系统定义的相应操作。这个系统有意的使用近似Linux行为，所以WSL可以支持相同的语义。

VFS定义了一些文件系统插件：VolFs和DrvFs用来表示磁盘上的文件，其余的包括内存中的文件系统TmpFs以及伪文件系统，比如ProcFs，SysFs和CgroupFs。

VolFs和DrvFs是用来将Linux文件系统满足Windows文件系统。他们展示了WSL是如何与你磁盘上的文件交互的，并且提供两种不同用途：VolFs被设计成提供所有Linux文件系统特性，DrvFs被设计为提供与Windows交互。

让我们更详细的来看看这些文件系统。

VolFs

WSL使用的主要的文件系统是VolFs。可以用它来存储Linux系统文件，以及Linux用户的home目录。因此，VolFs支持Linux虚拟文件系统（VFS）提供的绝大部分特性，其中包括Linux权限、符号链接、先入先出（FIFOs）、套接字(sockets)和设备文件。

VolFs用来挂载虚拟文件系统（VFS）的根目录，使用%LocalAppData%\lxss\rootfs作为备用存储器。另外，还有其它的几个VolFs挂载点，尤其是/root和/home，它们分别使用%LocalAppData%\lxss\root和%LocalAppData%\lxss\home挂载。分别进行挂载的原因是当卸载WSL时，默认情况下，home目录是不删除的，所以存储过的所有个人文件都会保留。

需要注意的是所有的这些挂载点都要使用Windows用户文件夹中的目录进行存储。每个Windows用户都拥有自己的WSL环境，因此也可以拥有Linux中的root权限，可以在不影响其它Windows用户的情况下安装程序。

索引节点和文件对象

因为 Windows 没有相关的索引节点概念，VolFs 必须在索引节点上对 Windows 文件对象保持一个句柄。VFS 请求一个新的索引节点使用了 lookup 回调，VolFs 使用来自父索引节点和子节点名称来处理相关的打开和获取句柄。这些句柄的打开不需要任何的读/写文件，且只能用于元数据的请求。

当文件被打开，VolFs 创建一个 Linux 文件对象指向索引节点。它可以重复打开节点索引的文件句柄，并可以通过请求在文件对象上读/写访问和存储新的句柄。然后使用该句柄来满足文件操作，比如读和写。

模拟Linux特性

如上所述，Linux和Windows的文件系统有好几个方面的不同。VolFs必须对Windows不能直接支持的几个Linux特性提供支持。

Windows本身可以处理大小写敏感。正如前面提到的，Windows和NTFS实际上支持大小写敏感操作，所以，无论全局注册键如何控制，VolFs只需请求对象管理器将路径看做是大小写敏感的。

Linux的文件名还支持将全部字符视为合法字符。NT中却有更多的限制，有些字符根本不允许作为文件名，还有些字符可能具有特殊含义（例如“:”表示改变数据流）。为了支持所有Linux文件名，VolFs将文件名中的非法字符进行转义。

Linux中的断开链接（unlinking）和重命名（renaming）有一些不同的语义。具体的说，某个文件即使有打开着的文件描述符指向它，也可以断开链接。同样，某个文件即使打开着，也可以对其进行重命名的操作。在Windows中，如果要请求删除一个文件，那它最终的状态必须是关闭着的，此时文件名在文件系统中可见。为了支持Linux中的断开链接语义，请求删除前，VolFs会将断开链接的文件重命名至一个隐藏的临时文件夹中。

Linux的索引节点具有一些Windows中不存在的属性，包括拥有者和组、文件模式等。这些属性存储在与磁盘文件相关联的NTFS扩展属性中。扩展属性中存储的信息如下：

• 模式（Mode）：包括文件类型（普通文件、符号链接、FIFOs等）和该文件的权限位。

• 拥有者(Owner)：拥有该文件的Linux用户ID和组ID。

• 设备ID(Device ID):设备文件的主设备号和次设备号。注意，WSL目前还不允许用户在VolFs中创建设备文件。

• 文件时间(File times)：Linux中的文件访问时间、修改时间和改变时间所采用的格式和粒度与Windows中不同，所以，这些时间也存储在EAs中。

另外，如果某个文件具有一些文件能力特性，那它会被存储在变异数据流中。注意，WSL目前还不允许用户更改文件的文件能力特性。

其余的索引节点属性，例如索引节点号和文件大小， 都源自于NTFS中保存的信息。

和Windows系统之间的互操作能力

上面提到了，VolFs文件以普通文件的方式存储在Windows系统的目录中，因此，不支持和Windows系统之间的互操作能力。如果从Windows系统中向这些目录添加一个新文件，因为缺少必要的EAs，所以VolFs不知道如何处理该文件，只能将其忽略掉。在WSL中，许多编辑器在保存一个已存在的文件时也会删除EAs，使得该文件再次成为不可用。

另外，因为VFS缓存目录项，当运行着WSL时，在Windows系统中对那些目录所做的任何改变都不会有准确的反应。

DrvFs

为了便于和Windows系统之间的互操作，WSL使用了DrvFs文件系统。WSL将具有可支持文件系统的固定驱动器自动挂载到/mnt目录中，例如/mnt/c、/mnt/d等。目前，仅能支持NTFS和ReFs卷标。

DrvFs的操作方式和VolFs类似。当创建索引节点和文件对象时，打开指向Windows文件的句柄。但是，和VolFs相比，DrvFs遵循Windows规则（有几个例外，下面会说明）。DrvFs使用Windows权限，只允许使用合法的NTFS文件名，不支持特殊的文件类型，比如FIFOs和sockets。

DrvFs 权限

Linux通常采用简单的权限模型，允许某个文件的所有者、所属组或其它的任何人拥有对该文件的读、写或执行权限。Windows却采用访问控制列表（ACLs）,为每个单个文件和目录指定复杂的访问规则（Linux也的确能使用ACLs，只不过WSL目前还不支持）。

在DrvFs中，当打开一个文件时，使用基于用户令牌的Windows权限，令牌是由用户执行bash.exe产生的。所以，在WSL中要访问C:\Windows目录下的文件，在bash环境中使用“sudo”还是不行的，虽然你拥有了root权限，但并没有改变你的Windows用户令牌，还必须启动bash.exe以便进一步获得合适的权限。

为了给用户关于他针对某个文件所拥有的权限的提示，DrvFs检查用户有效的文件权限，并将其转换成“读/写/可执行”位，例如执行“ls -l”命令可以看到。但也并不都是一对一的映射关系。例如，Windows中对于在目录中创建文件和子目录需要不同的权限。如果用户拥有任意一种权限，DrvFs都视为对目录拥有写访问权限，但实际上有些操作可能还是会因拒绝访问而失败。

因为对文件的有效访问权限会因bash.exe是否启动是否提升了权限而不同，所以，DrvFs中显示的文件权限也会随着bash实例的权限提升与否而改变。

当计算对某个文件的有效访问权限时，在DrvFs中要考虑到只读属性。在Windows中对某个文件设置了只读属性表现在WSL中就是没有写的权限。使用Chmod可以设置文件的只读属性（通过移除所有的写权限，比如，使用命令“chmod a-w 某个文件”）或者清除只读属性（通过添加任意写权限，比如，使用命令"chmod u+w 某个文件"）。这种方法和Linux中的CIFS文件系统很类似，CIFS用来访问Windows SMB共享。

大小写敏感

因为支持Windows的NTFS，DrvFs支持区分大小写文件。这意味着可以创建两个只文件名大小写不同的DrvFs。请注意，许多的Windows应用程序可能无法处理这种情况，并且可能无法打开一个或两个文件。

大小写敏感被禁用在卷根上，但其它地方可以用。因此，为了使用大小写敏感的文件。不要尝试创建/mnt/c，而是创建一个目录，在这个目录里可以创建文件。

符号链接

虽然NT支持符号链接，我们也不能依赖这种支持，因为WSL创建的符号链接有可能指向在Windows中没有任何意义的路径，比如/proc。另外，在NT中创建符号链接是需要管理员权限的。因此，必须找到其它的解决方案。

和VolFs不同，在DrvFs中，我们不能依赖EAs来标示某个文件是符号链接。取而代之的是，WSL采用一种全新的重解析点来表示符号链接。因此，这些链接只在WSL中有效，而不能被其它的Windows组件所识别，比如文件浏览器(File Explorer)或者cmd.exe。需要注意的是，既然ReFs对重解析点缺少支持，那么它也不支持WSL中的符号链接。然而，NTFS已经对WSL中的符号链接有了全面支持。

和Windows之间的互操作

和VolFs不同，DrvFs不会存储任何的额外信息。相反，所有的索引节点属性都是通过查询NT中使用的文件属性、有效权限以及其它的信息派生而来的。DrvFs还禁用了目录项缓存，以确保即使Windows进程对目录的内容进行了修改的情况下，它也总能提供正确的、最新的信息。因此，当使用DrvFs时，对Windows进程如何处理文件没有任何限制。

DrvFs还对文件使用了Windows删除语义，所以，如果某个文件存在任何打开着的文件描述符（或者Windows进程在处理着），那我们就不能取消对其的链接。

ProcFs和SysFs

正如在Linux中，这些特殊的文件系统不会显示磁盘上的文件，而是代表了内核中有关进程、线程和设备的信息。这些文件在运行时动态产生。有些情况下，这些文件的信息完全保存在lxcore.sys驱动中。在其它情况下，例如某个进程对CPU的使用，WSL需要查询NT内核以获取相关信息。然而，和Windows文件系统之间是没有任何交互的。

结论

通过使用VolFs，WSL为其内部的Linux文件系统模拟出完整的Linux特性，从而提供了对Windows文件的访问，并且通过使用DrvFs，提供了对Windows设备及文件的完全访问。在写作本文时，DrvFs已经实现了Linux文件系统的一些功能，比如大小写敏感和符号链接，同时还支持和Windows之间的互操作。

将来，我们会继续增强对Linux文件系统特性的支持，对于VolFs和DrvFs都是如此。在VolFs挂载的同时要进行必要的互操作时会遇到各种限制，我们的目标就是减少这种情况发生的次数。从GitHub和User Voice社区上，我们获得了大量反馈，这些都会促使我们改进，帮助我们以最重要的场景为目标。