服務器診所：使虛擬文件系統工作

虛擬文件系統（VFS）是一個抽象概念，它具有極其高效的用途。幾種流行的語言現在都支持 VFS 構造，Cameron Laird 向您說明這些構造適用於什麼。 “不親自嘗試就不會明白它是多麼有用”。當有人對我這麼說時，我一貫的反應就是認為說這話的人對所說的功能不夠
　　虛擬文件系統（VFS）是一個抽象概念，它具有極其高效的用途。幾種流行的語言現在都支持 VFS 構造，Cameron Laird 向您說明這些構造適用於什麼。
　　
　　“不親自嘗試就不會明白它是多麼有用”。當有人對我這麼說時，我一貫的反應就是認為說這話的人對所說的功能不夠了解，所以沒法說清楚。
　　
　　但是，對於虛擬文件系統，親身經歷告訴我說這話的人是對的。 Jeffrey Hobbs 是 ActiveState Corp. 的高開發人員，我們倆都見識了使用虛擬文件系統（VFS）可以實現多麼不可思議的強大功能。
　　
　　簡單的構想，重大的成果
　　VFS 背後的構想很簡單：它將不是文件系統的事物表示為文件系統。這裡的文件系統指的是“傳統的類 Linux 文件系統”：由可直接訪問的目錄和（普通）文件構成的樹或層次結構。當然，這個概念會激起所有 Linux 用戶的興趣，因為 Linux 本身的許多特征都源自 UNIX 文件系統內對設備、表和其它對象的表示。UNIX 建立在如下原則之上：每樣東西（或者至少是許多東西）都是文件；VFS 將這一原則加以推廣，將盡可能多的東西看成是文件系統。
　　
　　注：Linux 內核工程師也談到了 VFS，但意義不同。本月的專欄文章不是關於 Linux 虛擬文件系統交換器的，該交換器將文件系統驅動程序分派給 ext2、ext3、reiserfs 等等。
　　
　　對 VFS 的一種看法是：它是某種技術或概念的另一個示例，用獨立開發人員 Jean-Claude Wippler 的話說，這種技術“使 OS 和高級語言環境之間的界限變得模糊”。另外，“系統服務”在應用程序開發語言中的出現使可移植性變得更為容易，因為操作系統從視野中消失。
　　
　　那麼，哪類東西本身不是文件系統，但用這種方式表示卻非常有用呢？這有許多：可以通過 FTP、HTTP、WebDAV 或其它網絡協議訪問的文件；.zip 文件、CVS（並發版本控制系統，concurrent versions system）或其它歸檔文件的內容；數據庫表；受安全性或其它約束限制的真正文件系統的投影（projection）；及其它。
　　
　　容易看出這樣的資源可以以自然的方式映射到文件系統。假定 example.zip 壓縮了下面這些文件：
　　
　　first
　　subdir1/second
　　subdir1/third
　　subdir2/fourth
　　該歸檔文件很可能創建為現有文件系統樹的直接（局部）映像，所以自然可以用有根樹表示：
　　
　　./first
　　./subdir1/second
　　./subdir1/third
　　./subdir2/fourth
　　許多在業界有影響的產品都依賴於 VFS。象日志記錄文件系統這樣的 DB2 功能部件的體系結構就依靠於 VFS 模型。眾所周知的 Zope 應用程序服務器提供了一個頗有挑戰性的 VFS 示例。Zope 的“獲得（acquisition）”概念將程序化的對象映射成 URL。在 Zope 中，類似於下面這樣的方法調用：
　　
　　context.myproject.object1.method1(year = "1999")
　　相當於對下面這個 URL 的 HTTP 請求：
　　
　　http://myzope.com/myproject/object1/method1?year=1999
　　看出其中的優點了嗎？VFS 和 UNIX 的“一切均是文件”的概念也很相似，因為這個想法很容易理解和模仿，但是要意識到它能將應用程序設計簡化到哪種程度，還需要花幾年工夫。
　　
　　我們來研究一個示例。假定您已經編寫了一個文本編輯器；它提供了訪問、讀取、修改單獨文件以及將它們寫回到存儲器的方法。如果使用文件系統“虛擬器”，立刻就可以使用所有相同的代碼來浏覽 FTP 或 ZIP 歸檔文件，選擇、修改並保存單獨的項。您擁有在操作本地文件時能很好地工作的浏覽器、備份實用程序、安全性掃描程序或版本控制系統嗎？對其文件系統訪問進行虛擬化，它立刻就可以對 .tar 文件、老式磁帶盤和只能通過虛擬專用網（VPN）訪問的公司資源進行操作。供應商喜歡把這樣的附件賣到數千美元。VFS 卻免費提供了這樣的功能。
　　
　　或者說這幾乎是免費的。程序員不用學習任何新知識；他們只需要像以往那樣執行相同的 open、close 等文件系統操作。關鍵是所有的代碼都和以前的一樣。最大的困難就是當前支持成熟的 VFS 的語言運行時庫很少。常見的困難之一是驅動程序通常是只讀的，這或者是因為寫功能需要進行更為復雜的編程，或者只是因為在類似 HTTP 這樣的協議中沒有定義寫操作。
　　
　　哪種語言具有 VFS 功能？
　　對 VFS 支持得最好的語言是 Tcl，ActiveState 的 Hobbs 擅長於這種語言。在其它語言（包括 Java 和 Perl）中，現有的 VFS 實現是“不純的”，因為它們在實現中提供了新方法（比如 Perl 的 vfsopen）來補充核心庫入口點。相比之下，在 Tcl 的發行版 8.4 中，正如有關 VFS 的社區頁面所說明的那樣：“Tcl 的文件系統是完全支持虛擬文件系統的”。尤其重要的是，這意味著在任何識別普通文件的地方，可以按語法規則使用虛擬文件資源。典型的 Tcl 允許：
　　
　　image create -file myimage.gif
　　Tcl 8.4 將這一用法自然地擴展成：
　　
　　image create -file ftp://myserver.com/myimage.gif
　　獨立顧問 Matt Newman 首先在 20 世紀 90 年代末為 Tcl 實現了健壯的 VFS，以幫助他為某個大型金融企業所做的開發工作。在 2000 年底，Eurobios 科學家 Vince Darley 准備雄心勃勃地重新編寫 Tcl 的文件系統應用程序編程接口（API），其中的優點之一就是提供 VFS 掛鉤（hook）。
　　
　　大多數在職的 Tcl 應用程序開發人員首先將 VFS 應用在上述的示例方面 － 例如靈活的支持 FTP 的編輯器。但值得注意的是，Tcl 的 VFS 先驅者（包括 Wippler，在前一篇有關應用程序部署的“服務器診所（Server clinic）”專欄文章中曾提到過，請參閱參考資料）的初衷是開發“徹底的”VFS。也就是，不是使用 VFS 技術去訪問現有的外部資源，而是要將一個特殊用途的數據庫（位於應用程序內部）當作一個完整的文件系統進行管理。他們已經通過該機制顯著地簡化了應用程序開發和部署。從這個角度看，VFS 可以用來統一和整合不同的操作環境 － 開發、質保、客戶站點，這樣應用程序可以在所有操作環境中一致地操作。透明地將文件系統推廣到外部文件，這只是附帶的好處。清單 1 顯示了兩個摘自 Tcl 社區頁面的代碼示例，它們暗示了這個附帶的好處的強大功能。
　　
　　清單 1. 在 Tcl 中使用 VFS
　　
　　　　package require vfs::urltype
　　　　vfs::urltype::Mount ftp
　　　　# With VFS activated, normal Tcl file commands
　　　　#　　can copy files even to and from FTP servers.
　　　　file copy ftp://foo.bar.com/pub/Readme .
　　　　file copy myfile ftp://user:[email protected]/private.txt
　　
　　
　　　　package require vfs::zip
　　　　vfs::zip::Mount foo.zip foo.zip
　　　　# foo.zip is now part of the normal filesystem hierarchy.
　　　　cd foo.zip
　　　　# Within subdir1 on foo.zip, list all items.
　　　　set listing [glob -dir subdir1 *]
　　
　　大多數語言都有訪問 FTP 或 ZIP 的工具。從這個意義上說，VFS 類似於面向對象的高級語言或運行時庫：它不提供任何新內容，您可以自己編程來做 VFS 可以做的任何事。但是，有了 VFS，資源管理就變得非常容易且更加合理。它不是個很難的概念；只是個很好的概念。
　　
　　VFS 簡化了許多有趣的問題。Tcl 程序員目前正在處理類似於下面這樣的問題：
　　
　　版本化的可動態裝入庫的集中壓縮歸檔文件
　　智能網絡代理程序
　　高級的“混合介質”備份管理器
　　我已經試驗過“活動系統文件”的可編程性。可以把它們看作某些語言所支持的“特性”。特性是其訪問會包括寫操作副作用的屬性：
　　
　　result = thing.property
　　可能不只是從內存檢索“property”的值，而有可能涉及這樣的計算：在網絡上傳送數據、檢查系統狀態，等等。類似地，當我寫：
　　
　　file copy report.pdf backup
　　這不僅僅是將文件復制到目錄中，而是要根據環境生成文件並執行其它操作。
　　
　　面向特性的編程因其副作用較多，而被認為是“危險”的，基本上，用顯式存取方法不能完成的操作，它也肯定完成不了。然而，它這種樣式仍適合某些情形，而且我發現活動文件系統至少有時候要比它們所替代的 makefile 和腳本更容易編碼。
　　
　　結束語
　　Tcl 在其 VFS 成熟性方面要領先於其它語言；它已經解決了字符編碼、I/O 體系結構和性能約束方面的難題，這些難題在其它語言社區中現在才剛開始顯現。但是，您不一定非要使用 Tcl 才能應用 VFS 的思想。您自己的編程能從更為一致的訪問類文件資源的方式中獲益嗎？大多數現代語言都提供了某種擴展內置構造的方法，因此可以用更一致和功能更強大的方式來編碼 I/O。