把Linux中的VFS对象串联起来

把Linux中的VFS对象串联起来
2010年06月21日
　　上一篇博文讲到了内核提供的通用虚拟文件模型中四大数据结构极其操作，那么，为了使各种文件系统和谐相处，这些对象又是怎么串联起来的呢。本博，我们就重点讨论他们怎样与内核交互，包括如何与进程打交道，以及介绍一些相关的缓存机制。 首先，文件必须由进程打开，每个进程都有它自己当前的工作目录和它自己的根目录。这仅仅是内核用来表示进程与文件系统相互作用所必须维护的数据中的两个例子。类型为fs_struct的整个数据结构就用于此目的，且每个进程描述符task_struct的fs字段就指向进程的fs_struct结构：
　　struct fs_struct {
　　atomic_t count;
　　rwlock_t lock;
　　int umask;
　　struct dentry * root, * pwd, * altroot;
　　struct vfsmount * rootmnt, * pwdmnt, * altrootmnt;
　　};
　　其中：
　　count：共享这个表的进程个数
　　lock：用于表中字段的读/写自旋锁
　　umask：当打开文件设置文件权限时所使用的位掩码
　　root：根目录的目录项
　　pwd：当前工作目录的目录项
　　altroot：模拟根目录的目录项（在80x86结构上始终为NULL）
　　rootmnt：根目录所安装的文件系统对象
　　pwdmnt：当前工作目录所安装的文件系统对象
　　altrootmnt：模拟根目录所安装的文件系统对象（在80x86结构上始终为NULL）
　　第二个表表示进程当前打开的文件，表的地址存放于进程描述符task_struct的files字段。该表的类型为files_struct结构：
　　struct files_struct {
　　atomic_t count;
　　struct fdtable *fdt;
　　struct fdtable fdtab;
　　spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
　　int next_fd;
　　struct embedded_fd_set close_on_exec_init;
　　struct embedded_fd_set open_fds_init;
　　struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
　　};
　　struct fdtable {
　　unsigned int max_fds;
　　int max_fdset;
　　struct file ** fd;      /* current fd array */
　　fd_set *close_on_exec;
　　fd_set *open_fds;
　　struct rcu_head rcu;
　　struct files_struct *free_files;
　　struct fdtable *next;
　　};
　　#define NR_OPEN_DEFAULT BITS_PER_LONG
　　#define BITS_PER_LONG 32  /* asm-i386 */
　　fdtable结构嵌入在files_struct中，并且由它的fdt指向。
　　fdtable结构的fd字段指向文件对象的指针数组。该数组的长度存放在max_fds字段中。通常，fd字段指向files_struct结构的fd_array字段，该字段包括32个文件对象指针。如果进程打开的文件数目多于32，内核就分配一个新的、更大的文件指针数组，并将其地址存放在fd字段中，内核同时也更新max_fds字段的值，如图所示：
　　
　　对于在fd数组中所有元素的每个文件来说，数组的索引就是文件描述符(file descriptor)。通常，数组的第一个元素（索引为0）是进程的标准输入文件，数组的第二个元素（索引为1）是进程的标准输出文件，数组的第三个元素（索引为2）是进程的标准错误文件。请注意，借助于dup()、dup2()和fcntl()系统调用，两个文件描述符可以指向同一个打开的文件，也就是说，数组的两个元素可能指向同一个文件对象。当用户使用shell结构（如2>&1）将标准错误文件重定向到标准输出文件上时，用户也能看到这一点。
　　进程不能使用多于NR_OPEN（通常为1 048 576)个文件描述符。内核也在进程描述符的signal->rlim[RLIMIT_NOFILE]结构上强制动态限制文件描述符的最大数；这个值通常为1024，但是如果进程具有超级用户特权，就可以增大这个值。
　　open_fds字段最初包含open_fds_init字段的地址，open_fds_init字段表示当前已打开文件的文件描述符的位图。max_fdset字段存放位图中的位数。由于fd_set数据结构有1024位，所以通常不需要扩大位图的大小。不过，如果确有必要的话，内核仍能动态增加位图的大小，这非常类似于文件对象的数组的情形。
　　当内核开始使用一个文件对象时，内核提供fget()函数以供调用。这个函数接收文件描述符fd作为参数，返回在current->files->fd [fd]中的地址，即对应文件对象的地址，如果没有任何文件与fd对应，则返回NULL。在第一种情况下，fget()使文件对象引用计数器fcount的值增1：
　　struct file fastcall *fget(unsigned int fd)
　　{
　　struct file *file;
　　struct files_struct *files = current->files;
　　rcu_read_lock();
　　file = fcheck_files(files, fd);
　　if (file) {
　　if (!atomic_inc_not_zero(&file->f_count)) {
　　/* File object ref couldn't be taken */
　　rcu_read_unlock();
　　return NULL;
　　}
　　}
　　rcu_read_unlock();
　　return file;
　　}
　　static inline struct file * fcheck_files(struct files_struct *files, unsigned int fd)
　　{
　　struct file * file = NULL;
　　/* 不考虑RCU机制，files_fdtable宏就是返回files->fdt */
　　struct fdtable *fdt = files_fdtable(files);
　　if (fd max_fds)
　　file = rcu_dereference(fdt->fd[fd]);
　　return file;
　　}
　　当内核控制路径完成对文件对象的使用时，调用内核提供的fput()函数。该函数将文件对象的地址作为参数，并减少文件对象引用计数器f_count的值。另外，如果这个字段变为0，该函数就调用文件操作的release方法（如果已定义），减少索引节对象的i_writecount字段的值（如果该文件是可写的），将文件对象从超级块链表中移走，释放文件对象给slab分配器，最后减少相关的文件系统描述符的目录项对象的引用计数器的值：
　　void fastcall fput(struct file *file)
　　{
　　if (atomic_dec_and_test(&file->f_count))
　　__fput(file);
　　}
　　void fastcall __fput(struct file *file)
　　{
　　struct dentry *dentry = file->f_dentry;
　　struct vfsmount *mnt = file->f_v