linux文件系统之路径查找与文件系统的挂载

linux文件系统之路径查找与文件系统的挂载- 本文系本站原创,欢迎转载!转载请注明出处:/-文件系统是操作系统的一个重要的功能,linux提供了对各种文件系统的支持,具有极高的扩展性.文件系统这一部份也是linux内核中难以理 解的一部份,因为它与很多子系统有关.有时候还需要涉及到具体的磁盘分区格式.下面的代码分析以ext2格式为基础进行分析.在分析的过程中会遇到了块设 备操作的一些API，暂且将它放至一边。块设备的操作会以单独的专题做讨论。一：与关系统有关的数据结构1.1:VFS相关的数据结构在文件系统中，涉及到最多的就是super_block,inode,dentry这几个结构。先列出这几个结构中各成员所代表的含义，具体的作用等到代码遇到再进行分析。这几个结构在内核中的定义如下：struct super_block /用来形成一个链表 struct list_head s_list; /* Keep this first */ /super_block所对应的设备 dev_t s_dev; /* search index; _not_ kdev_t */ /以字节为单位的块大小 unsigned long s_blocksize; unsigned long s_old_blocksize; /以位为单位的块大小 unsigned char s_blocksize_bits; /“脏”标志 unsigned char s_dirt; /文件大小的上限 unsigned long long s_maxbytes; /* Max file size */ /所属的文件系统 struct file_system_type *s_type; /super_block的操作 struct super_operations *s_op; /磁盘限额的方法 struct dquot_operations *dq_op; /配置磁盘限额的方法 struct quotactl_ops *s_qcop; /导出的方法 struct export_operations *s_export_op; /所对应的标志 unsigned long s_flags; /文件系统的魔数 unsigned long s_magic; /目录登录点 struct dentry *s_root; /为避免竞争，所用的rw_semaphore struct rw_semaphore s_umount; struct semaphore s_lock; int s_count; /文件系统的同步标志 int s_syncing; /尚末将文件系统同步 int s_need_sync_fs; /活动引用计数 atomic_t s_active; /安全模块 void *s_security; struct xattr_handler *s_xattr; /脏节点链表 struct list_head s_dirty; /* dirty inodes */ /回写链表 struct list_head s_io; /* parked for writeback */ /匿名分区 struct hlist_head s_anon; /* anonymous dentries for (nfs) exporting */ /被分区的文件链表 struct list_head s_files; /相关的块设备 struct block_device *s_bdev; /该类型的文件系统 struct list_head s_instances; struct quota_info s_dquot; /* Diskquota specific options */ /如果该标志被置位，则禁止使用该文件系统（可能需要等待某些操作的完成，例如同步） int s_frozen; /等待队列 wait_queue_head_t s_wait_unfrozen; /设备的名称 char s_id32; /* Informational name */ /指向特定的文件系统的信息（这个是一个统一的结构，毕竟不同的文件系统有很多不同的信息） void *s_fs_info; /* Filesystem private info */ /* * The next field is for VFS *only*. No filesystems have any business * even looking at it. You had been warned. */ /删除时使用的信号量 struct semaphore s_vfs_rename_sem; /* Kludge */struct inode /散列表 struct hlist_node i_hash; /用来形成链表 struct list_head i_list; /目录项链表 struct list_head i_dentry; /索引节点号 unsigned long i_ino; /引用计数 atomic_t i_count; /访问权根控制 umode_t i_mode; /硬链接数目 unsigned int i_nlink; /使用者id uid_t i_uid; /使用者的gid gid_t i_gid; /所属的设备 dev_t i_rdev; /以字节为单位的文件大小 loff_t i_size; /最后访问时间 struct timespec i_atime; /最后修改时间 struct timespec i_mtime; /最后改变时间 struct timespec i_ctime; /以位为单位的块大小 unsigned int i_blkbits; /以字节为单位的块大小 unsigned long i_blksize; /版本号 unsigned long i_version; /文件的块数 unsigned long i_blocks; /使用的字节数 unsigned short i_bytes; /如果该成员被置为1则这个inode表示的是一个套接字 unsigned char i_sock; /索引结点的自旋锁 spinlock_t i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */ /索引结点的信号量 struct semaphore i_sem; struct rw_semaphore i_alloc_sem; /索引结点的操作列表 struct inode_operations *i_op; /索引结点所属文件的操作列表 struct file_operations *i_fop; /* former -i_op-default_file_ops */ /索引结点的所属super_block struct super_block *i_sb; /文件锁链表 struct file_lock *i_flock; /把向所属的页面缓存 struct address_space *i_mapping; struct address_space i_data;#ifdef CONFIG_QUOTA struct dquot *i_dquotMAXQUOTAS;#endif /* These three should probably be a union */ /块设备链表 struct list_head i_devices; /管道信息 struct pipe_inode_info *i_pipe; /所属块设备 struct block_device *i_bdev; /所属的字符设备 struct cdev *i_cdev; int i_cindex; /索引结点的版本号 _u32 i_generation; /目录通知掩码 unsigned long i_dnotify_mask; /* Directory notify events */ /目录通知 struct dnotify_struct *i_dnotify; /* for directory notifications */ /状态标志 unsigned long i_state; /首次修改时间 unsigned long dirtied_when; /* jiffies of first dirtying */ /文件系统标志 unsigned int i_flags; /写者计数 atomic_t i_writecount; /安全模块 void *i_security; /文件的特殊信息 union void *generic_ip; u;#ifdef _NEED_I_SIZE_ORDERED seqcount_t i_size_seqcount;#endifstruct dentry /引用计数 atomic_t d_count; /目录项标识 unsigned int d_flags; /* protected by d_lock */ /单目录项 spinlock_t d_lock; /* per dentry lock */ /相关的inode struct inode *d_inode; /* Where the name belongs to - NULL is * negative */ /* * The next three fields are touched by _d_lookup. Place them here * so they all fit in a 16-byte range, with 16-byte alignment. */ /父目录中的目录结构 struct dentry *d_parent; /* parent directory */ /散队表头 struct hlist_head *d_bucket; /* lookup hash bucket */ /目录项的名字 struct qstr d_name; /LRU链表 struct list_head d_lru; /* LRU list */ /父目录的子目录链表 struct list_head d_child; /* child of parent list */ /目录的子目录链表 struct list_head d_subdirs; /* our children */ /索引结点的别名链表 struct list_head d_alias; /* inode alias list */ /重新生效的时间 unsigned long d_time; /* used by d_revalidate */ /目录项的操作列表 struct dentry_operations *d_op; /目录项的所属super_block struct super_block *d_sb; /* The root of the dentry tree */ void *d_fsdata; /* fs-specific data */ void * d_extra_attributes; /* TUX-specific data */ /RCU锁 struct rcu_head d_rcu; struct dcookie_struct *d_cookie; /* cookie, if any */ /所属散列表 struct hlist_node d_hash; /* lookup hash list */ /是否有文件系统被挂载到此目录下 int d_mounted; /短文件名 unsigned char d_inameDNAME_INLINE_LEN_MIN; /* small names */在这里要注意的是，不管目录还是普通文件在文件系统中都是对应的文件，只是文件的类型不一样，都有一个dentry项，dentry项对应一个inode.inode和dentry都有一个成员指向文件系统的super_block.1.2:与进程相关的结构在task的定义中，包含两个成员：fs，file .它们的结构定义如下所示：struct fs_struct /结构的引用计数 atomic_t count; /读写锁 rwlock_t lock; /默认的文件访问权限 int umask; /用户的root目录，当前目录，与替换目录 struct dentry * root, * pwd, * altroot; /root目录，当前目录与替换目录所对应的文件系统 struct vfsmount * rootmnt, * pwdmnt, * altrootmnt;其中,在x86平台中，altroot与altrootmnt的值为空.File对应的数据结构为files_struct.它的结构定义如下：struct files_struct /结构体的使用计数 atomic_t count; spinlock_t file_lock; /* Protects all the below members. Nests inside tsk-alloc_lock */ /文件对象数的上限 int max_fds; /文件描述符的上限 int max_fdset; /下一个文件描述符 int next_fd; /全部文件对象数组 struct file * fd; /* current fd array */ /exec()关闭的文件描述符 fd_set *close_on_exec; /打开的文件描述符指针 fd_set *open_fds; /exe()关闭的初始化文件 fd_set close_on_exec_init; /文件描述符的初始集合 fd_set open_fds_init; /默认的文件对象数组 struct file * fd_arrayNR_OPEN_DEFAULT;二：路径名的查找在应用中，经常有为给定的路径寻找结点的操作，例如cd /home/eric/kernel_study.这个操作是经常需用用到的操作，在进行深入的文件系统学习前，有必要先了解一下这个操作的实现.在内核中，path_lookup（）用来查到一个给定路径的所属文件结点。它的代码如下：int fastcall path_lookup(const char *name, unsigned int flags, struct nameidata *nd) int retval; /刚开始搜索前，将nd-last_type置为LAST_ROOT nd-last_type = LAST_ROOT; /* if there are only slashes. */ nd-flags = flags; nd-depth = 0; /为了避免对current-fs的读写竞争，先加锁 read_lock(¤t-fs-lock); /第一个路径字符为/,表示的是一个绝对路径.eg :/home/eric if (*name=/) /在x86中,task-fs-altroot为空 if (current-fs-altroot & !(nd-flags & LOOKUP_NOALT) nd-mnt = mntget(current-fs-altrootmnt); nd-dentry = dget(current-fs-altroot); read_unlock(¤t-fs-lock); if (_emul_lookup_dentry(name,nd) return 0; read_lock(¤t-fs-lock); /将搜索的起始路径设为root nd-mnt = mntget(current-fs-rootmnt); nd-dentry = dget(current-fs-root); else /相对路径.eg: eric/kernel_study /将搜综的起始路径设为pwd nd-mnt = mntget(current-fs-pwdmnt); nd-dentry = dget(current-fs-pwd); /解锁 read_unlock(¤t-fs-lock); /将当前进程的total_link_count置为0(表示末遇到链接) current-total_link_count = 0; retval = link_path_walk(name, nd); if (unlikely(current-audit_context & nd & nd-dentry & nd-dentry-d_inode) audit_inode(name, nd-dentry-d_inode-i_ino, nd-dentry-d_inode-i_rdev); return retval;这个函数有三个参数:name表示路径的字符串。Flag表示搜索的标志.如下所示：/如果最后一个结点是符号链表，跟随进去#define LOOKUP_FOLLOW 1/最后的结点需要是一个目录#define LOOKUP_DIRECTORY 2/继续往下面搜索#define LOOKUP_CONTINUE 4/搜索最后结点的父目录#define LOOKUP_PARENT 16/不要搜索替换目录,在x86中没有使用#define LOOKUP_NOALT 32/在搜索的过程中不能被打断，#define LOOKUP_ATOMIC 64/* Intent data*/搜索文件的目的#define LOOKUP_OPEN (0x0100)#define LOOKUP_CREATE (0x0200)#define LOOKUP_ACCESS (0x0400)最后的一参数nameidata用来存放中间信息和搜索的结果.它的结构如下：/存储搜索路径过程中的信息struct nameidata /存放最后一次搜索的dentry struct dentry *dentry; /存放dentry所属的文件系统 struct vfsmount *mnt; /最后搜索的结点的名称 struct qstr last; /标志，与path_lookup（）中的flag参数相同 unsigned int flags; /最后一次搜索的类型 int last_type; /搜索的链接深度 unsigned depth; char *saved_namesMAX_NESTED_LINKS + 1; /* Intent data */ union struct open_intent open; intent;上述代码会判断是一个相对路径还是绝对路径。将其信息设置在nd-dentry和nd-vfsmount中后转入link_path_walk()进行搜索.代码如下所示:int fastcall link_path_walk(const char * name, struct nameidata *nd) struct path next; struct inode *inode; int err, atomic; unsigned int lookup_flags = nd-flags; /如果搜索标志中含有LOOKUP_ATOMIC. atomci等于1 atomic = (lookup_flags & LOOKUP_ATOMIC); /跳过路径前面的/ while (*name=/) name+; /如果后面没有数据了，说明已经搜索完了. if (!*name) goto return_reval; /搜索目录所对应的inode inode = nd-dentry-d_inode; /如果nd-depth被置位，则定义lookup_flags = LOOKUP_FOLLOW if (nd-depth) lookup_flags = LOOKUP_FOLLOW; /* At this point we know we have a real path component. */ for(;) unsigned long hash; struct qstr this; unsigned int c; /判断是否有相应的权限 err = exec_permission_lite(inode, nd); if (err = -EAGAIN) err = permission(inode, MAY_EXEC, nd); if (err) break; /将结点的信息保存在this中.例如 : eric/kerne_study/fs /就会将eric保存到this中 = name; c = *(const unsigned char *)name; hash = init_name_hash(); /计算结点名称对应的hash值。一直到字符为空或者到了节点末尾为止(节点节尾，即遇上了/) do name+; hash = partial_name_hash(c, hash); c = *(const unsigned char *)name; while (c & (c != /); this.len = name - (const char *) ; this.hash = end_name_hash(hash); /* remove trailing slashes? */ /!c:则到了最后一个结点，且不以/结尾 eg: /home/eric if (!c) goto last_component; while (*+name = /); if (!*name) /最后一个结点是以/结尾的 eg:/home/eric/ goto last_with_slashes; /* * . and . are special - . especially so because it has * to be able to know about the current root directory and * parent relationships. */ /如果结点是以. 开头 /在linux中，.表示当前目录。.表示上一次目录 if (0 = .) switch (this.len) default: break; case 2: if (1 != .) break; follow_dotdot(&nd-mnt, &nd-dentry); inode = nd-dentry-d_inode; /* fallthrough */ case 1: / . continue; /* * See if the low-level filesystem might want * to use its own hash. */ /如果自定义哈希值计算 if (nd-dentry-d_op & nd-dentry-d_op-d_hash) err = nd-dentry-d_op-d_hash(nd-dentry, &this); if (err flags |= LOOKUP_CONTINUE; /* This does the actual lookups. */ /到nd-dentry中查找this. 如果有相应的结点，则将结点对应的denty存进next中 err = do_lookup(nd, &this, &next, atomic); /如果查找失败 if (err) break; /* Check mountpoints. */ /对于目录有文件系统挂载的处理 follow_mount(&next.mnt, &next.dentry); err = -ENOENT; /对查找节点节点的inode进行检查 inode = next.dentry-d_inode; if (!inode) goto out_dput; err = -ENOTDIR; if (!inode-i_op) goto out_dput; /如果该节点是一个链接 if (inode-i_op-follow_link) mntget(next.mnt); err = do_follow_link(next.dentry, nd); dput(next.dentry); mntput(next.mnt); if (err) goto return_err; err = -ENOENT; inode = nd-dentry-d_inode; if (!inode) break; err = -ENOTDIR; if (!inode-i_op) break; else /否则，释放nd-dentry。将next中的相应值赋给nd dput(nd-dentry); nd-mnt = next.mnt; nd-dentry = next.dentry; err = -ENOTDIR; /如果该结点没有定义lookup操作 if (!inode-i_op-lookup) break; /继续下一个节点的查找 continue; /* here ends the main loop */最后的结点是以/ 结尾last_with_slashes: /添加LOOKUP_FOLLOW | LOOKUP_DIRECTORY标志 lookup_flags |= LOOKUP_FOLLOW | LOOKUP_DIRECTORY;/最后的结点 last_component: nd-flags &= LOOKUP_CONTINUE; /如果定义了LOOKUP_PARENT:不必要搜索最后的结点，直接返回。那返回nameidata /包含的是父目录的相关信息 if (lookup_flags & LOOKUP_PARENT) goto lookup_parent; /如果没有定义LOOKUP_PARENT:则还需要解析最后的一个结点 if (0 = .) switch (this.len) default: break; case 2: if (1 != .) break; follow_dotdot(&nd-mnt, &nd-dentry); inode = nd-dentry-d_inode; /* fallthrough */ case 1: goto return_reval; if (nd-dentry-d_op & nd-dentry-d_op-d_hash) err = nd-dentry-d_op-d_hash(nd-dentry, &this); if (err d_inode; if (lookup_flags & LOOKUP_FOLLOW) & inode & inode-i_op & inode-i_op-follow_link) mntget(next.mnt); err = do_follow_link(next.dentry, nd); dput(next.dentry); mntput(next.mnt); if (err) goto return_err; inode = nd-dentry-d_inode; else dput(nd-dentry); nd-mnt = next.mnt; nd-dentry = next.dentry; err = -ENOENT; if (!inode) break; if (lookup_flags & LOOKUP_DIRECTORY) err = -ENOTDIR; if (!inode-i_op | !inode-i_op-lookup) break; goto return_base;lookup_parent: nd-last = this; /根据最后结点的名字。返回不同的last_type nd-last_type = LAST_NORM; if (0 != .) goto return_base; if (this.len = 1) nd-last_type = LAST_DOT; else if (this.len = 2 & 1 = .) nd-last_type = LAST_DOTDOT; else goto return_base;return_reval: /* * We bypassed the ordinary revalidation routines. * We may need to check the cached dentry for staleness. */ if (nd-dentry &