Linux 核心程式設計之檔案系統（二）

阿新 • • 發佈：2019-01-17

1.為了方便查詢，VFS引入了目錄項，每個dentry代表路徑中的一個特定部分。目錄項也可包括安裝點。
2.目錄項物件由dentry結構體表示，定義在檔案linux/dcache.h 標頭檔案中。
89struct dentry {
90        atomic_t d_count;                //使用計數
91        unsigned int d_flags;           //目錄項標時
92        spinlock_t d_lock;                //單目錄鎖
93        int d_mounted;                    //目錄項的安裝點
94        struct inode *d_inode;        //與該目錄項相關聯的索引節點
95
96        /*
97         * The next three fields are touched by __d_lookup. Place them here
98         * so they all fit in a cache line.
99         */
100        struct hlist_node d_hash;        //散列表
101        struct dentry *d_parent;          //父目錄項
102        struct qstr d_name;                //目錄項名可快速查詢
103
104        struct list_head d_lru;            // 未使用目錄以LRU 演算法連結的連結串列
105        /*
106         * d_child and d_rcu can share memory
107         */
108        union {
109                struct list_head d_child;       /* child of parent list */
110                struct rcu_head d_rcu;
111        } d_u;
112        struct list_head d_subdirs;     //該目錄項子目錄項所形成的連結串列
113        struct list_head d_alias;        //索引節點別名連結串列
114        unsigned long d_time;           //重新生效時間
115        const struct dentry_operations *d_op;    // 操作目錄項的函式
116        struct super_block *d_sb;       //目錄項樹的根
117        void *d_fsdata;                        //具體檔案系統的資料
118
119        unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN];    //短檔名
120};
1>索引節點中的i_dentry指向了它目錄項，目錄項中的d_alias，d_inode又指會了索引節點物件，目錄項中的d_sb又指回了超級塊物件。
2>我們可以看到不同於VFS 中的索引節點物件和超級塊物件，目錄項物件中沒有對應磁碟的資料結構，所以說明目錄項物件並沒有真正標存在磁碟上，那麼它也就沒有髒標誌位。
3>目錄項的狀態(被使用，未被使用和負狀態）
a.它們是靠d_count的值來進行區分的，當d_count為正值說明目錄項處於被使用狀態。當d_count=0時表示該目錄項是一個未被使用的目錄項，但其d_inode指標仍然指向相關的的索引節點。該目錄項仍然包含有效的資訊，只是當前沒有人引用他。d_count=NULL表示負（negative）狀態，與目錄項相關的inode物件不復存在（相應的磁碟索引節點可能已經被刪除），dentry物件的d_inode 指標為NULL。但這種dentry物件仍然儲存在dcache中，以便後續對同一檔名的查詢能夠快速完成。這種dentry物件在回收記憶體時將首先被釋放。
4> d_subdirs：如果當前目錄項是一個目錄，那麼該目錄下所有的子目錄形成一個連結串列。該欄位是這個連結串列的表頭；
      d_child：如果當前目錄項是一個目錄，那麼該目錄項通過這個欄位加入到父目錄的d_subdirs連結串列當中。這個欄位中的next和prev指標分別指向父目錄中的另外兩個子目錄；
      d_alias：一個inode可能對應多個目錄項，所有的目錄項形成一個連結串列。inode結構中的i_dentry即為這個連結串列的頭結點。當前目錄項以這個欄位處於i_dentry連結串列中。該欄位中的prev和next指標分別指向與該目錄項同inode的其他兩個（如果有的話）目錄項
3.dentry和inode的區別：
　inode（可理解為ext2 inode）對應於物理磁碟上的具體物件，dentry是一個記憶體實體，其中的d_inode成員指向對應的inode。也就是說，一個inode可以在執行的時候連結多個dentry，而d_count記錄了這個連結的數量。
4.dentry與dentry_cache
dentry_cache簡稱dcache，中文名稱是目錄項快取記憶體，是Linux為了提高目錄項物件的處理效率而設計的。它主要由兩個資料結構組成：
1>雜湊連結串列dentry_hashtable：dcache中的所有dentry物件都通過d_hash指標域鏈到相應的dentry雜湊連結串列中。
2>未使用的dentry物件連結串列dentry_unused：dcache中所有處於unused狀態和negative狀態的dentry物件都通過其d_lru指標域鏈入dentry_unused連結串列中。該連結串列也稱為LRU連結串列。
目錄項快取記憶體dcache是索引節點快取icache的主控器（master），也即 dcache中的dentry物件控制著icache中的inode物件的生命期轉換。無論何時，只要一個目錄項物件存在於dcache中（非 negative狀態），則相應的inode就將總是存在，因為 inode的引用計數i_count總是大於0。當dcache中的一個dentry被釋放時，針對相應inode物件的iput()方法就會被呼叫。
5對目錄項進行操作的一組函式叫目錄項操作表,由dentry_operation結構描述。它可以在 include/linux/dcache.h 中查到
134struct dentry_operations {
135        int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
136        int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
137        int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
138        int (*d_delete)(struct dentry *);
139        void (*d_release)(struct dentry *);
140        void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
141        char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
142}；
a.int d_reavlidate(struct dentry *dentry ,int flags) 該函式判斷目錄物件是否有效。VFS準備從dcache中使用一個目錄項時，會呼叫該函式.
b.int d_hash(struct dentry *dentry ,struct qstr *name)：該目錄生成雜湊值，當目錄項要加入到散列表時，VFS要呼叫此函式。
c.int d_compare( struct dentry *dentry, struct qstr *name1, struct qstr *name2) 該函式來比較name1和name2這兩個檔名。使用該函式要加dcache_lock鎖。
d.int d_delete(struct dentry *dentry):當d_count=0時，VFS呼叫次函式。使用該函式要叫 dcache_lock鎖。
e.void d_release(struct dentry *dentry):當該目錄物件將要被釋放時，VFS呼叫該函式。
f.void d_iput(struct dentry *dentry,struct inode *inode)當一個目錄項丟失了其索引節點時，VFS就掉用該函式。
二．VFS中的檔案物件

1.檔案物件表示程序已經開啟的檔案在記憶體中的表示，該物件不是物理上的檔案。它是由相應的open()系統呼叫建立，由close()系統呼叫銷燬。多個程序可以開啟和操作同一個檔案，所以同一個檔案也可能存在多個對應的檔案物件。
2一個檔案對應的檔案物件不是唯一的，但對應的索引節點和超級塊物件是唯一的。
3.file結構中儲存了檔案位置，此外，還把指向該檔案索引節點的指標也放在其中。file結構形成一個雙鏈表，稱為系統開啟檔案表。它的定義在 include/linux/fs.h 中可以看到
909struct file {
910        /*
911         * fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via
912         * fu_rcuhead for RCU freeing
913         */
914        union {
915                struct list_head        fu_list;                            //每個檔案系統中被開啟的檔案都會形成一個雙鏈表
916                struct rcu_head       fu_rcuhead;
917        } f_u;
918        struct path                           f_path;
919#define f_dentry                      f_path.dentry            // 與該檔案對應的dentry
920#define f_vfsmnt                     f_path.mnt
921        const struct file_operations    *f_op;            //指向檔案操作表的指標
922        spinlock_t                        f_lock; /* f_ep_links, f_flags, no IRQ */
923#ifdef CONFIG_SMP
924        int                                    f_sb_list_cpu;
925#endif
926        atomic_long_t                 f_count;                     //檔案物件的使用計數
927        unsigned int                    f_flags;                      //開啟檔案時所指定的標誌
928        fmode_t                          f_mode;                    //檔案的訪問模式
929        loff_t                               f_pos;                         //檔案當前的位移量
930        struct fown_struct           f_owner
931        const struct cred            *f_cred;
932        struct file_ra_state          f_ra;                          //預讀狀態
933
934        u64                                 f_version;                  //版本號
935#ifdef CONFIG_SECURITY
936        void                                *f_security;                //安全模組
937#endif
938        /* needed for tty driver, and maybe others */
939        void                                *private_data;           //tty裝置hook
940
941#ifdef CONFIG_EPOLL
942        /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
943        struct list_head                f_ep_links;
944#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
945        struct address_space    *f_mapping;                //頁快取對映
946#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT
947        unsigned long f_mnt_write_state;
948#endif
949};
1>檔案物件實際上沒有對應的磁碟資料，所以在結構體中沒有代表其物件是否為髒，是否需要寫回磁碟的標誌。檔案物件通過f_path.dentry指標指向相關的目錄項物件。目錄項會指向相關的索引節點，索引節點會記錄檔案是否是髒的。
2>fu_list：每個檔案系統中以被開啟的檔案都會形成一個雙聯表，這個雙聯表的頭結點存放在超級塊的s_files欄位中。該欄位的prev和next指標分別指向在連結串列中與當前檔案結構體相鄰的前後兩個元素.

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