--- title: VFS — 仮想ファイルシステム層 url: https://doc.liz6.com/ja/linux-kernel/03-file-system/01-VFS locale: ja area: linux-kernel tags: - linux-kernel - file-system date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: 'カバー範囲: VFS オブジェクトモデル (super_block/inode/dentry/file) → システムコールパス (open/read/write/close) → file_operations → RCUパスウォーク → マウントメカニズム。カーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x' --- # VFS — 仮想ファイルシステム層 > カバー範囲: VFS オブジェクトモデル (super_block/inode/dentry/file) → システムコールパス (open/read/write/close) → file_operations → RCUパスウォーク → マウントメカニズム > カーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x ## 概要 VFS (Virtual File System / Virtual Filesystem Switch) は、Linuxにおける「すべてはファイルである」という理念の基盤です。VFSは抽象化されたオブジェクトと操作インターフェースのセットを定義しており、ext4、NFS、procfsなど全く異なるファイルシステムをユーザー空間に対して一貫して公開することを可能にします。`read()` システムコールを実行する際、それがローカルディスク上にあるのかネットワークマウントされているのかを意識する必要はありません。VFS層が正しいファイルシステム実装へとルーティングを行います。 VFSの核心的な設計哲学は**オブジェクト指向のC言語実装**です。各VFSオブジェクト内部には `*_operations` 関数テーブルが埋め込まれており、ファイルシステムはこの関数テーブルを埋めることで「インターフェースを実装」します。 --- ## VFSの4大オブジェクト ``` super_block: 「このファイルシステムは何なのか？」 — マウントポイントごとに1つのsuper_blockが存在 inode: 「このファイルは何か？」 — ファイル/ディレクトリごとに1つ（ディスクまたはメモリ上に存在） dentry: 「このパス名は誰を指しているのか？」 — パス名からinodeへのキャッシュマッピング file: 「この開かれたファイルはどこにあるのか？」 — open() ごとに1つ作成され、現在のオフセットを含む ``` ### super_block ```c // include/linux/fs.h struct super_block { unsigned long s_blocksize; unsigned char s_blocksize_bits; unsigned long long s_maxbytes; // ファイルの最大サイズ struct file_system_type *s_type; // ファイルシステムタイプ (ext4, nfs, ...) const struct super_operations *s_op; // 操作関数テーブル struct dentry *s_root; // ルートディレクトリのdentry struct list_head s_inodes; // 全inodeのリスト struct list_head s_dentry_lru; // 未使用のdentry (LRU) void *s_fs_info; // ファイルシステム固有のデータ }; ``` ### inode ```c struct inode { umode_t i_mode; // ファイルタイプと権限 kuid_t i_uid; i_gid; loff_t i_size; // ファイルサイズ struct timespec64 i_atime, i_mtime, i_ctime; const struct inode_operations *i_op; // inode操作 const struct file_operations *i_fop; // デフォルトのファイル操作 (open時にコピーされるテンプレート) struct super_block *i_sb; struct address_space *i_mapping; // page cache (重要!) union { struct pipe_inode_info *i_pipe; // パイプ struct block_device *i_bdev; // ブロックデバイス struct cdev *i_cdev; // キャラクタデバイス }; unsigned long i_ino; // inode番号 (ファイルシステム内で一意) }; ``` ### dentry — パス名キャッシュ ```c struct dentry { struct inode *d_inode; // 関連付けられたinode (NULLの場合あり: ネガティブ) struct dentry *d_parent; // 親ディレクトリ struct qstr d_name; // このコンポーネントの名前 struct list_head d_child; // 親ディレクトリ内の子ディレクトリリスト struct list_head d_subdirs; // 子ディレクトリリストのヘッダ struct hlist_bl_node d_hash; // dcacheハッシュテーブル const struct dentry_operations *d_op; }; ``` **ネガティブdentry**: `d_inode == NULL`。これは「このパス名は存在しないことが確認済み」であることを意味します。見つからないファイルを検索した際などに生成されます。`open("/tmp/noexist")` のたびに再探索を行わなければならなければ、膨大なIOの無駄になります。 ### file — 開かれたファイルの記述 ```c struct file { struct path f_path; // dentry + vfsmount const struct file_operations *f_op; atomic_long_t f_count; // リファレンスカウント unsigned int f_flags; // O_RDONLY, O_NONBLOCK, ... fmode_t f_mode; // FMODE_READ, FMODE_WRITE loff_t f_pos; // 現在の読み書き位置 struct address_space *f_mapping; // page cache void *private_data; // ファイルシステム固有のデータ }; ``` --- ## システムコールパス ### open(): パス名からfileへ ```mermaid flowchart TD SYSCALL["open() システムコール"] --> GETNAME["getname()
ユーザー空間からパス名をコピー"] GETNAME --> GETFD["get_unused_fd_flags()
fd番号を割り当て"] GETFD --> DO_OPEN["do_filp_open()
核心的なパス解析"] DO_OPEN --> PATH["path_openat()"] PATH --> WALK["link_path_walk()
パスをコンポーネントごとに走査"] WALK --> LOOKUP{"lookup_fast()
dcacheを参照 (RCU walk)"} LOOKUP -->|"ヒット"| DENTRY["dentryを返す
ロックなし、極めて高速 ✅"] LOOKUP -->|"ミス"| SLOW["lookup_slow()
i_op->lookup()を呼び出し
ディスク/inodeブロックから探索
新しいdentryを割り当て → dcacheに追加"] DENTRY --> LAST{"最終コンポーネントか？"} SLOW --> LAST LAST -->|"はい"| DO_LAST["do_last()"] LAST -->|"いいえ、次のコンポーネントへ"| LOOKUP DO_LAST --> CASE{"ファイルの状態は？"} CASE -->|"既に存在"| VFS_OPEN["vfs_open()
→ f_op->open()"] CASE -->|"O_CREAT"| VFS_CREATE["vfs_create()
→ i_op->create()"] CASE -->|"O_TMPFILE"| TMPFILE["無名一時ファイルを作成"] VFS_OPEN --> INSTALL["fd_install()
fileをfdtableにインストール"] VFS_CREATE --> INSTALL TMPFILE --> INSTALL INSTALL --> RET["fdを返す ✅"] classDef sys call fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0 classDef step fill:#f3e5f5,stroke:#7b1fa2 classDef decision fill:#fff3e0,stroke:#ef6c00 classDef done fill:#e8f5e9,stroke:#2e7d32 class SYSCALL syscall class GETNAME,GETFD,DO_OPEN,PATH,WALK,DENTRY,SLOW,VFS_OPEN,VFS_CREATE,TMPFILE,INSTALL step class LOOKUP,LAST,CASE decision class RET done ``` ### RCU Path Walk — VFSのパフォーマンスの秘密 ``` 従来のパス解析 (2.6 より前): 各コンポーネントごとにロックを取得 → 競合が高くなる → マルチコアでのパフォーマンスが劣る RCU path walk (2.6.38以降): 1. RCU読取りロックの下でdcacheを走査 2. dentryとinodeの読み取りのみが必要（書き込みは不要） 3. すべてのコンポーネントがdcache内にある場合 → 全体でロック不要 4. dcacheにないコンポーネントに出会った場合 → ref-walk（ロック付き）にフォールバック パフォーマンス: マルチコアシステムにおいてopen()のスループットが数倍向上 実装: fs/namei.c の link_path_walk() 内に2つのロジック（RCU/REF）が存在 ``` ### read(): page cacheからの読み込み ```c // fs/read_write.c SYSCALL_DEFINE3(read, ...) → ksys_read() → vfs_read() vfs_read(file, buf, count, pos) ├─ 権限チェック (FMODE_READ) ├─ f_op->read() または f_op->read_iter() を呼び出し │ └─ 通常ファイルの場合: generic_file_read_iter() │ └─ filemap_read() │ ├─ 各ページアラインされた範囲に対して: │ │ ├─ filemap_get_page() → find_get_page() │ │ │ ├─ page cacheヒット → 直接返す (IOなし) │ │ │ └─ page cacheミス → page_cache_sync_readahead() │ │ │ └─ ブロック層から読み込み → ページをpage cacheに挿入 │ │ └─ copy_page_to_iter() → copy_to_user() │ └─ f_pos を更新 └─ 読み込んだバイト数を返す ``` ### write(): page cacheへの書き込み + バックグラウンド書き戻し ```c vfs_write(file, buf, count, pos) └─ f_op->write_iter() → generic_file_write_iter() └─ __generic_file_write_iter() ├─ filemap_write() │ ├─ 各ページアラインされた範囲に対して: │ │ ├─ filemap_get_page() → page cacheページを検索または作成 │ │ ├─ copy_page_from_iter() → copy_from_user() │ │ └─ ページをダーティとしてマーク (SetPageDirty) │ └─ f_pos を更新 │ └─ 書き戻しはいつ行われるか？ ここではありません！ generic_file_write_iter は単にpage cacheに書き込むだけです 実際のwritebackはバックグラウンドのflusherスレッドによって非同期で行われます (または fsync/fdatasync によって同期的にトリガーされます) ``` --- ## file_operations ```c // include/linux/fs.h struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek)(struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*read_iter)(struct kiocb *, struct iov_iter *); ssize_t (*write_iter)(struct kiocb *, struct iov_iter *); int (*mmap)(struct file *, struct vm_area_struct *); unsigned long (*mmap_supported_flags); int (*open)(struct inode *, struct file *); int (*release)(struct inode *, struct file *); // close() → 最後の参照が解放される int (*fsync)(struct file *, loff_t, loff_t, int datasync); int (*fasync)(int, struct file *, int); __poll_t (*poll)(struct file *, struct poll_table_struct *); long (*unlocked_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*compat_ioctl)(struct file *, unsigned int, unsigned long); }; ``` ファイルシステムは一部のみを埋め込むことも可能です。VFSがデフォルトの実装で補完します。例えば `read_iter` はなく `read` がある場合、VFSが自動的にラップします。 --- ## マウントメカニズム ```c // fs/namespace.c // mount は、ファイルシステムをVFSツリー上の一点に付着させます: struct vfsmount { struct mount *mnt_parent; // マウントポイントの親 struct dentry *mnt_root; // マウントされたルートディレクトリ struct super_block *mnt_sb; // ファイルシステム struct list_head mnt_mounts; // このマウント上にマウントされた子マウント struct list_head mnt_child; // 親マウントの子ノード }; // mount /dev/sda1 /mnt の場合: // 1. /dev/sda1 のスーパーブロックを読み取り → super_block を作成 // 2. vfsmount を作成 → mnt_root = super_block->s_root // 3. /mnt にマウント → /mnt のdentry がマウントポイントとなる // 4. パス走査中にマウントポイントに到達 → vfsmount->mnt_root に切り替えて継続 // namespace: // 各プロセスはマウントネームスペースに属する // CLONE_NEWNS → 新しいマウントネームスペース（コンテナの基盤） ``` --- ## デバッグ ```bash # VFS統計 cat /proc/sys/fs/dentry-state # nr_dentry, nr_unused, age_limit # 現在のマウント cat /proc/mounts findmnt # ツリー形式で表示 # ファイルシステムタイプ cat /proc/filesystems # open/read/write のトレース strace -e trace=open,read,write cat /etc/hostname ``` --- ## 参考と拡張 - **カーネルドキュメント**: `Documentation/filesystems/vfs.rst`, `Documentation/filesystems/path-lookup.rst` - **LWN**: - "Pathname lookup in Linux" (lwn.net/Articles/649115/) - "RCU-walk: faster pathname lookup" (lwn.net/Articles/649294/) - **ソースコードファイル**: - `fs/namei.c` — パスウォーク、open() - `fs/open.c` — do_sys_open() - `fs/read_write.c` — vfs_read/vfs_write - `include/linux/fs.h` — super_block, inode, dentry, file, file_operations - `fs/namespace.c` — マウントメカニズム - `fs/dcache.c` — dentryキャッシュ --- *キーワード: VFS, super_block, inode, dentry, file, file_operations, RCU path walk, dcache, negative dentry, mount namespace*