计算机操作系统文件管理——虚拟文件系统
为了让用户进程能以统一的方式操作不同类型的文件系统（如Linux的Ext4、Windows的NTFS、U盘的FAT32），操作系统引入虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）。它是内核中的一层抽象接口，位于用户进程与具体文件系统之间，负责“翻译”用户的统一操作，适配到底层不同的文件系统实现上，让用户无需关心“文件存在哪种存储设备、用了哪种文件系统”，只需调用标准接口即可。
一、VFS的核心作用：屏蔽底层差异，提供统一接口
如图4.24《虚拟文件系统的示意图》所示，用户进程（用户空间）通过POSIX等标准接口（如open、read、write）发起文件操作；VFS（内核空间的虚拟层）接收这些操作后，再通过“VFS接口”转发给具体的文件系统（如Ext2/3、NTFS、FAT）；而具体文件系统则负责与物理介质（硬盘1、硬盘2、U盘）交互，完成实际的读写。
举个例子：若要往U盘（FAT文件系统）和Ext4格式的硬盘文件写数据，用户进程只需调用标准的write()函数——VFS会自动将“写请求”分别转换为FAT或Ext4能理解的操作，最终完成写入。用户进程的write()调用完全不用因“存储设备或文件系统不同”而改变，这就是VFS“屏蔽底层差异，让上层操作统一”的核心价值。
二、VFS的工作流程：以write()系统调用为例
结合图4.25《write()系统调用操作示意图》，可更直观理解文件写操作的流程：
- 用户空间发起调用：用户进程调用标准库函数
write()（如C语言中write(fd, buf, count)，向文件描述符fd对应的文件写入buf中count字节的数据）。 - 进入VFS层：
write()触发内核的sys_write()系统调用（VFS层的统一入口）。VFS会先解析文件描述符fd，找到对应的“文件对象”（记录进程访问文件的动态信息，如当前读写位置）。 - 转发给具体文件系统：VFS根据文件所在存储设备，确定其使用的具体文件系统（如Ext4、NTFS），然后调用该文件系统注册好的“写方法”（每个文件系统需实现专属的读写、创建等函数，并注册到VFS）。
- 物理介质交互：具体文件系统接收到“写请求”后，会根据自身物理结构（如Ext4的索引节点、数据块管理），操作物理介质（如硬盘扇区）完成实际写入，并返回结果。
- 结果返回用户：VFS将具体文件系统的结果通过
sys_write()传递给用户进程的write()调用，让用户感知“写操作完成（或失败）”。
整个过程中，用户进程无需关心“底层是Ext4还是FAT，数据如何存到硬盘”，只需按统一接口编程——VFS就是这层“翻译+转发”的中间层。
三、VFS的关键抽象：让“不同文件系统看起来一样”
VFS能实现统一接口，依赖于对“文件、目录、文件系统”的抽象定义（所有具体文件系统必须遵循的“规范”）：
- 超级块对象：对应具体文件系统的“超级块”，存储文件系统全局信息（如总块数、空闲块数），让VFS能统一管理不同文件系统的全局属性。
- 索引节点对象：对应具体文件系统的“inode”，存储文件元数据（如权限、数据块指针），让VFS能以统一方式获取文件核心属性。
- 文件对象：对应“打开的文件”，存储进程访问文件的动态信息（如当前读写位置）。同一个文件被多个进程打开时，会有多个文件对象，但共享同一个索引节点对象。
- 目录项对象：对应“路径的一个分量”（如
/home/user/file.txt中的home、user），用于加速路径查找（如缓存最近访问的目录项，减少遍历开销）。
这些抽象对象是“模板”，具体文件系统（如Ext4、NTFS）需按模板“填充”自身实现逻辑（如Ext4要实现“如何根据inode找数据块并读写”），再注册到VFS。这样VFS就能通过统一“模板接口”，调用不同文件系统的“专属实现”。
总结来说，虚拟文件系统是“多文件系统共存”的优雅解决方案：它通过抽象层屏蔽底层差异，向上提供统一POSIX接口，向下适配各种文件系统，让用户和程序能以一致的方式操作不同存储设备的文件，大幅简化了文件操作的复杂度。