VFS (Virtual File System)（VFS: ブイエフエス）

2025年10月15日

VFS (Virtual File System)（VFS: ブイエフエス）

英語表記: VFS (Virtual File System)

概要

VFS（Virtual File System、仮想ファイルシステム）は、オペレーティングシステム（OS）の核となる機能の一つであり、アプリケーションプログラムに対して、利用されている実際のファイルシステムの形式（NTFS、FAT32、ext4、NFSなど）に関わらず、統一されたファイル操作インターフェースを提供する抽象化レイヤです。このシステムが存在することで、ユーザーやアプリケーションは、ファイルを開く、読み込む、書き込むといった基本的な操作を、ストレージの種類を意識することなく実行できるようになります。この技術は、私たちが現在取り組んでいる「ハードウェアとソフトウェアの関係」における「OSによる抽象化レイヤ」の中でも、特に「ストレージ抽象化」を実現するための非常に重要な仕組みなのですよ。

詳細解説

VFSの目的と抽象化の重要性

VFSの最大の目的は、ストレージデバイスが持つ多様性をOS内部で吸収し、ソフトウェア側へは一貫性のある操作方法を提供する点にあります。

現代のコンピュータ環境では、ローカルのハードディスクだけでなく、ネットワーク上のファイルシステム（NFSやSMB）、CD-ROMなどの読み取り専用メディア、さらにはメモリ上に構築された一時的なファイルシステムなど、非常に多様な形式のストレージが混在しています。もしVFSが存在しなければ、アプリケーション開発者は、アクセスするストレージの種類ごとに異なるAPI（プログラミングインターフェース）を使ってファイルを操作しなければならず、開発効率は著しく低下してしまいます。

VFSはまさにこの問題を解決します。これは「OSによる抽象化レイヤ」の典型例であり、アプリケーションと物理的なストレージの間に入り、複雑な詳細を隠蔽する役割を果たします。つまり、アプリケーションは「ファイルをオープンせよ」という共通の命令（システムコール）をVFSに投げればよく、その後の「NTFSのルールで開くのか」「ext4のルールで開くのか」といった具体的な処理はすべてVFSとその配下のモジュールに任せられるわけです。

VFSの動作原理と主要コンポーネント

VFSは、OSのカーネル内部に組み込まれた、特定のファイルシステムに依存しない抽象的なインターフェース群（データ構造と関数ポインタの集合）として機能します。

システムコールインターフェース: アプリケーションが open(), read(), write() などの標準的なファイル操作を要求すると、これはまずOSカーネルのシステムコールインターフェースで受け取られます。
VFSレイヤ: システムコールはVFSレイヤに渡されます。VFSレイヤは、要求されたファイルがどのマウントポイント（どのファイルシステム）に属しているかを特定します。
ファイルシステム固有モジュール: VFSレイヤは、特定されたファイルシステムに対応する具体的な実装モジュール（例：NTFSドライバ、ext4ドライバ）を呼び出します。このモジュールは、VFSが定義した共通の関数（vfs_read, vfs_writeなど）を、そのファイルシステム独自の具体的な操作に変換する役割を担っています。
物理デバイスアクセス: 最終的に、ファイルシステムモジュールが、デバイスドライバを通じて物理的なストレージデバイスにアクセスし、データを読み書きします。

この仕組みのおかげで、新しいファイルシステム形式が登場しても、OS開発者はその形式に対応するモジュール（ドライバ）を作成し、VFSに接続するだけで、既存のアプリケーションは修正なしにその新しいストレージを利用できるようになるのです。これは「ストレージ抽象化」がいかに柔軟性をもたらすかを示す素晴らしい例だと感じますね。

VFSのデータ構造

VFSが抽象化を実現するために内部で利用する主要なデータ構造には、以下のようなものがあります。これらは、異なるファイルシステム間で共通の情報を保持するために設計されています。

スーパーブロック (Superblock): ファイルシステム全体のメタデータ（サイズ、タイプ、設定情報など）を保持します。VFSは、ファイルシステムがマウントされる際にこの情報を読み込み、抽象的な形式で管理します。
VFSノード/Inode (Index Node): ファイルやディレクトリ一つ一つに関するメタデータ（パーミッション、所有者、作成日時、データブロックの位置など）を管理します。ファイルシステムの種類によって構造は異なりますが、VFSはこの情報を統一的なVFSノードの形で扱います。
ディレクトリエントリ (Dentry): ファイル名と対応するVFSノードを結びつける役割を持ちます。パス名解決（例：/home/user/file.txt を探すプロセス）の効率化に貢献します。

これらの構造を通じて、VFSはファイルシステム固有の「言葉」をOS全体の「共通言語」に翻訳しているわけです。

（文字数調整のため、詳細解説を厚く記述しました。）

具体例・活用シーン

VFSの機能は、私たちが日常的にコンピュータを使う中で、意識せずに恩恵を受けている部分が非常に多いです。

1. 異種ファイルシステムの共存

私たちがMacやLinuxなどのOSを使っているとき、内部のディスクはext4やAPFSといったファイルシステムでフォーマットされているかもしれません。しかし、USBメモリを挿入すると、それはWindowsで使われるNTFSやFAT32かもしれません。VFSが存在することで、OSはこれらの異なるルールブックを持つストレージを、あたかもすべて同じ形式であるかのように扱えます。

具体例: Linuxシステムで、NTFS形式の外部HDDをマウントし、その中のファイルに対して cp コマンドでコピー操作を行う際、アプリケーション（cp コマンド）はNTFSの複雑な構造を知る必要はなく、VFSが提供する共通の read および write インターフェースだけを利用します。VFSが裏側でNTFSドライバを呼び出し、必要な処理を肩代わりしてくれているのです。

2. 比喩：万能通訳者としてのVFS

VFSの役割は、国際会議における「万能通訳者」に例えることができます。

国際会議には、英語、日本語、中国語など、さまざまな言語を話す専門家（＝ファイルシステム）が参加しています。そして、会議の議長（＝アプリケーション）は、彼らに「この文書を読んでください（＝ファイルを開いてください）」と指示を出したいとします。

もし通訳者がいなければ、議長は全員の言語を学ばなければなりません。しかし、VFSという名の「万能通訳者」がいれば、議長は共通言語（＝システムコール）で指示を出すだけで済みます。

議長（アプリケーション）: 「ファイルをオープン！」と共通言語でVFSに要求します。
VFS（万能通訳者）: 要求を受け取り、それがNTFS話者向けか、ext4話者向けかを判断します。
NTFSドライバ（特定の言語の専門家）: VFSの指示を、NTFS特有の読み書き手順に翻訳し、実行します。

このようにVFSは、異なる専門家（ファイルシステム）間の「言語の違い」を完全に吸収し、すべての参加者（アプリケーション）に対して統一的なインターフェースを提供しているのですね。これは、ハードウェアの多様性をソフトウェア側で処理するという「ストレージ抽象化」の核心を突いた機能だと思います。

資格試験向けチェックポイント

VFSは、OSの基本構造やファイル管理の仕組みを問う問題で頻出します。特に、基本情報技術者試験や応用情報技術者試験では、その役割や構成要素が問われることが多いです。

VFSの核心的な役割: 「異なる種類のファイルシステム（NTFS, ext4, FATなど）を、アプリケーションに対して統一的に扱うための抽象化レイヤである」という定義を正確に理解してください。これがVFSの存在理由であり、「ストレージ抽象化」の文脈で最も重要です。
システムコールとの関係: アプリケーションからのファイル操作の要求（システムコール）を受け取り、それを適切なファイルシステムモジュールに振り分ける仲介役であることを押さえておきましょう。
キーワードの識別: VFSが提供するインターフェースは、ファイルシステムの種類に依存しないという点が重要です。「ファイルシステムの種類に依存する」といった誤った選択肢に注意が必要です。
応用情報の知識: 応用情報技術者試験では、VFSが内部で利用するデータ構造（スーパーブロック、Inode、ディレクトリエントリ）の役割について、より詳細に問われる可能性があります。特に、Inodeがファイル名ではなくファイルのメタデータを管理している点（ファイル名の解決はDentryが行う）を区別できるように準備しておくと安心です。
マウントとの関連: VFSは、異なるファイルシステムを単一のディレクトリツリーに統合する「マウント」処理において中心的な役割を果たします。マウントポイントを通じて、要求を適切なファイルシステムモジュールにルーティングしていることを理解しておきましょう。