vfs-file-operations.md —— `file_operations` vtable 逐字段详解

前一篇 vfs-overview 讲 VFS 架构全景和四大对象，下一篇 vfs-and-socket 讲 socket 怎么填这张表。本篇聚焦这张 vtable 本身：每个函数指针的签名、语义、哪些文件系统填了哪些不填。

一、`file_operations` 是什么

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 (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, unsigned int flags);
    int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
    int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
    __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);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    unsigned long mmap_supported_flags;
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
    int (*fasync) (int, struct file *, int);
    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long,
                                       unsigned long, unsigned long);
    int (*check_flags)(int);
    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
    long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len);
    void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
    // ... kernel 6.x 还有更多
};

这是一张 ~30 个函数指针的表。但具体文件系统只填它能支持的——空指针即"不支持此操作"，VFS 返回 -ENODEV 或 -EINVAL。

二、核心字段逐行解析

2.1 `llseek` —— 偏移量操作

签名	`loff_t (llseek)(struct file , loff_t, int whence)`
来源	`lseek(fd, offset, SEEK_SET/SEEK_CUR/SEEK_END)`
职责	修改 `file->f_pos`（当前读写位置）
ext4	`generic_file_llseek` —— 支持 SEEK_DATA / SEEK_HOLE
pipe	`no_llseek` —— 管道是 FIFO，无"位置"概念
socket	`no_llseek` —— 同上，返回 `-ESPIPE`

2.2 `read` / `read_iter` —— 读操作

签名	`ssize_t (read_iter)(struct kiocb , struct iov_iter *)`
来源	`read(fd, buf, count)`
职责	从文件当前位置读取数据到用户缓冲区

read vs read_iter：新版内核优先调 read_iter（基于 iov_iter 的迭代器风格，支持 vectored I/O 和 O_DIRECT 对齐），只有 read_iter 为 NULL 时才回退到 read。

文件类型	实现	行为
ext4	`generic_file_read_iter`	查 page cache → 命中则拷贝、未命中则触发磁盘读
pipe	`pipe_read`（不设 `read_iter`，用旧 `read`）	从 pipe 环形缓冲区读，没数据时阻塞或返回 `EAGAIN`
socket	`sock_read_iter`	组装 `msghdr` → `sock->ops->recvmsg` → 协议栈

2.3 `write` / `write_iter` —— 写操作

签名	`ssize_t (write_iter)(struct kiocb , struct iov_iter *)`
来源	`write(fd, buf, count)`
职责	从用户缓冲区写数据到文件
文件类型	实现
---------	------
ext4	`generic_file_write_iter`
pipe	`pipe_write`
socket	`sock_write_iter`

2.4 `poll` —— 事件检测

签名	`__poll_t (poll)(struct file , struct poll_table_struct *)`
来源	`poll()` / `select()` / `epoll_ctl(EPOLL_CTL_ADD)`
职责	返回此文件当前的就绪事件（`EPOLLIN` / `EPOLLOUT` / `EPOLLERR` ...），并在 wait queue 上注册回调

这是事件驱动 I/O 的基石——epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev) 之所以能工作，是因为内核调用 sockfd 背后 file->f_op->poll = sock_poll。sock_poll 检查 sk_receive_queue 非空（可读）、sk_wmem_alloc < sk_sndbuf（可写）、sk_err（错误），并注册回调到 sk_sleep 等待队列——数据到达时唤醒 epoll。

文件类型	实现
ext4	`ext4_file_poll` → 磁盘文件总是可读可写（除非文件锁）
pipe	`pipe_poll` → 缓冲区空 = 不可读，满 = 不可写
socket	`sock_poll` → 检查 receive queue / send buffer / error
eventfd	`eventfd_poll` → counter > 0 = 可读
timerfd	`timerfd_poll` → 定时器已触发 = 可读

2.5 `mmap` —— 内存映射

签名	`int (mmap)(struct file , struct vm_area_struct *)`
来源	`mmap(addr, len, prot, MAP_SHARED, fd, offset)`
职责	把文件内容映射到进程的虚拟地址空间，建立 VMA

vfs-file-operations.md —— `file_operations` vtable 逐字段详解示意图（第 4 张）

图析：mmap 的签名里有一个 struct vm_area_struct *vma——这是 VFS 和内存管理子系统的"握手点"。文件系统在 mmap 回调里设置 vma->vm_ops（fault / page_mkwrite / writable 等），之后缺页中断发生时内核调用 vma->vm_ops->fault 来真正读数据。详情见 ../elf/mmap。

2.6 `ioctl` / `unlocked_ioctl` —— 万能控制接口

签名	`long (unlocked_ioctl)(struct file , unsigned int cmd, unsigned long arg)`
来源	`ioctl(fd, cmd, arg)`
职责	执行设备/文件系统特定的控制命令——VFS 自己不解析 `cmd`，原样传递给驱动

这是"万能工具箱"——每个文件系统/驱动定义自己的命令码，VFS 只做转发：

文件类型	典型 ioctl 命令
socket	`FIONBIO`（设非阻塞）、`SIOCGIFADDR`（取网卡 IP）、`TIOCOUTQ`（取发送队列长度）
ext4	`FS_IOC_GETFLAGS`（取 inode 属性）、`FS_IOC_FSSETXATTR`
终端 (tty)	`TCGETS` / `TCSETS`（termios）、`TIOCGWINSZ`（窗口大小）
磁盘	`BLKGETSIZE64`（取块设备大小）、`HDIO_GETGEO`（取磁盘几何）

2.7 `open` —— 文件被打开时

签名	`int (open)(struct inode , struct file *)`
来源	`open(path, flags, mode)` → `do_sys_open` → `path_openat`
职责	文件系统在 `struct file` 创建后做私有初始化，比如分配 private_data

open 和 release 通常成对出现：

open：struct file 刚分配好、inode 已知、file->f_op 已指向该文件系统的 vtable。此时文件系统可以分配自己的私有数据并挂到 file->private_data。
如果文件系统没设 open，VFS 就什么都不做——open 不是必须的（普通文件系统通常不设，直接跳过）。

2.8 `release` —— 文件被关闭时（引用计数归零）

签名	`int (release)(struct inode , struct file *)`
来源	`close(fd)` → `__fput`（只有 `file->f_count` 归零时才调）
职责	释放 `open` 时分配的资源，做清理

关键语义：release 不等于 close(fd)——close(fd) 先把 file->f_count 减 1，只有减到 0（没有任何进程/线程还在引用这个 file）才调 release。fork/dup 之后 f_count > 1，父 close 只减计数不触发 release，子 close 才真正释放。

vfs-file-operations.md —— `file_operations` vtable 逐字段详解示意图（第 5 张）

图析：release 的延迟调用是 VFS 引用计数的核心机制。socket 利用这一点——sock_close → inet_release → TCP 状态机推进（四次挥手），只有双方都 close 才真正断开连接。详见 vfs-and-socket。

2.9 其他重要字段

字段	来源	语义
`fsync`	`fsync(fd)` / `fdatasync(fd)`	把脏页刷到磁盘，socket/pipe 通常不设（返回 `-EINVAL`）
`fasync`	`fcntl(fd, F_SETFL, O_ASYNC)`	异步 I/O 通知（SIGIO 信号），socket 用 `sock_fasync`
`lock` / `flock`	`flock()` / `fcntl(F_SETLK)`	文件锁，通常只有磁盘文件系统实现
`splice_read` / `splice_write`	`splice()` / `sendfile()`	零拷贝——数据不经过用户态，pipe→socket 或 file→socket 直接在内核传递
`sendpage`	`sendfile()` 内部	把 page cache 的页直接发给 socket，零拷贝核心路径
`fallocate`	`fallocate()` / `posix_fallocate()`	预分配磁盘空间
`iterate` / `iterate_shared`	`getdents64()` → ls / `readdir`	读取目录项，只有目录文件才设，普通文件和 pipe/socket 不设
`iopoll`	`io_uring` IORING_SETUP_IOPOLL	用户态轮询 I/O 完成，避免 IRQ 开销（仅 NVMe 等支持）

三、各文件系统的 `file_operations` 对比

vfs-file-operations.md —— `file_operations` vtable 逐字段详解示意图（第 6 张）

四、`f_op` vs `private_data` —— 行为与状态分离的设计模式

file_operations 只解决了一个问题：这个 fd 能做什么操作。但操作需要操作的对象——数据在哪、计数器是多少、等待队列挂在哪——这些问题 f_op 一概不答。答案在 file->private_data。

核心类比

bash

file_operations  ←→  类的方法（member functions），一类文件共用一套
private_data     ←→  实例的成员变量（member variables），每个 fd 独立一份

	`f_op`（file_operations）	`private_data`
粒度	类型级别——所有 eventfd 共享同一份	实例级别——每个 fd 独立一份
内容	函数指针：read/write/poll/release/...	运行时状态：计数器、缓冲区、等待队列、红黑树
生命周期	文件类型注册时确定，全局不变	open 时分配，release 时释放
共享性	同类型全部 fd 共用	每个 fd 独享（pipe 读/写两端指向同一份是例外）

以 eventfd 为例

// 两个独立的 eventfd，f_op 完全相同
fd1 = eventfd(0, 0);  // file1->f_op = &eventfd_fops（全局唯一）
fd2 = eventfd(0, 0);  // file2->f_op = &eventfd_fops（同一个结构体！）
// 但是状态独立——靠 private_data 区分
file1->private_data → ctx1：计数器 = 10
file2->private_data → ctx2：计数器 = 0
// read(fd1)：同一套 f_op->read 代码
//           通过 file->private_data 拿到 ctx1 → 读到 10
// read(fd2)：同一套代码
//           通过 file->private_data 拿到 ctx2 → 读到 0

以 pipe 为例——private_data 还可以"共享"

int pipefd[2];
pipe(pipefd);
file_read->f_op  = &pipe_read_fops;   // 读端操作集
file_write->f_op = &pipe_write_fops;  // 写端操作集（和读端不同！）
// 但两者的 private_data 指向同一个 pipe_inode_info（环形缓冲区）
file_read->private_data == file_write->private_data  // 同一块！

这里体现了两层语义：

f_op 区分"这个 fd 是读端还是写端"（允许读还是允许写）
private_data 保证"读端和写端共享同一块环形缓冲区"

这也就是为什么所有文件操作函数的第一行代码都是 xxx_ctx *ctx = file->private_data;——f_op 只负责路由到正确的函数，private_data 负责提供这个 fd 独有的状态。函数代码全局共用，数据每个 fd 隔离。FUSE、socket、字符设备全部遵循这个模式。详见 fuse。

五、延伸阅读

vfs-overview — VFS 架构全景：四大对象、多态分发机制
vfs-and-socket — socket 与 VFS 的深度融合
fuse — FUSE 用户态文件系统：多挂载点隔离、fuse_conn、三层分层
read-write-process — read() 从用户态到 DMA 的完整 10 层调用链
mmap — mmap 原理：VFS → VMA → 缺页
files-struct — 进程 fd 表结构

总结

file_operations 是 VFS 的"多态接口表"——约 30 个函数指针定义了一套文件操作协议，ext4/pipe/socket/procfs/eventfd 等各自填自己能支持的，不填的就是不支持；read()/write()/poll()/mmap()/ioctl() 等系统调用全部通过 file->f_op->xxx() 一跳分发，VFS 不关心底层是什么。private_data 则负责存放每个 fd 独立的运行时状态，是 f_op 函数代码和数据状态之间的"粘合指针"。

vfs-file-operations.md —— file_operations vtable 逐字段详解 ​

一、file_operations 是什么 ​

二、核心字段逐行解析 ​

2.1 llseek —— 偏移量操作 ​

2.2 read / read_iter —— 读操作 ​

2.3 write / write_iter —— 写操作 ​

2.4 poll —— 事件检测 ​

2.5 mmap —— 内存映射 ​

2.6 ioctl / unlocked_ioctl —— 万能控制接口 ​

2.7 open —— 文件被打开时 ​

2.8 release —— 文件被关闭时（引用计数归零） ​

2.9 其他重要字段 ​

三、各文件系统的 file_operations 对比 ​

四、f_op vs private_data —— 行为与状态分离的设计模式 ​

核心类比 ​

以 eventfd 为例 ​

以 pipe 为例——private_data 还可以"共享" ​

五、延伸阅读 ​

总结 ​