open()在Linux内核的实现(2)-路径查找

2015年2月10日 由 edsionte 留言 »

1.基本说明

文件的打开操作在内核中的实现思路很简单:即通过用户态传递的路径逐项查找文件;如果该文件存在,那么内核将为该文件创建file结构;同时将该file结构与files数组关联,最终返回数组的索引作为用户态的文件描述符。

路径查找是对给定的文件路径以目录项为单位进行逐级解析。主要包括以下几项内容:

1.确定路径查找的起始位置。比如,起始位置可能是current->fs->cwd或current->fs->root;

2.当前进程是否有对目录项关联的inode进行访问的权限;

3.根据当前的目录项,对下一级目录项进行查找;这里的查找可能是向下查找子文件,也可能是向上反查父目录(比如下一级目录项为“..”);

4.处理挂载点问题;当前目录项如果是挂载点,那么必须处理不同文件系统之间的跨越;

5.处理符号链接文件;如果当前目录项为一个符号链接文件,那么必须追随(follow)该文件所指向的真实文件;

6.查找并创建文件路径中所缺失的部分;比如,通过open()创建一个新文件时,那么所传递的路径中可能有部分目录项当前是不存在的;

其中,第1项是路径查找的首要工作;2~6项是在路径查找过程中,针对每个目录项进行检查确认的。

负责open系统调用基本实现的是do_sys_open(),其内部所调用的do_filp_open函数承担了大部分open的实现过程,其中就包括路径查找。

2.函数分析

2.1.do_filp_open

open操作的核心函数为do_filp_open,它解析文件路径并新建file结构。该函数内部创建nd变量,传入并调用了path_openat()。nameidata类型的nd在整个路径查找过程中充当中间变量,它既可以为当前查找输入数据,又可以保存本次查找的结果。

struct file *do_filp_open(int dfd, const char *pathname,
		const struct open_flags *op, int flags)
{
	struct nameidata nd;
	struct file *filp;

	filp = path_openat(dfd, pathname, &nd, op, flags | LOOKUP_RCU);
	if (unlikely(filp == ERR_PTR(-ECHILD)))
		filp = path_openat(dfd, pathname, &nd, op, flags);
	if (unlikely(filp == ERR_PTR(-ESTALE)))
		filp = path_openat(dfd, pathname, &nd, op, flags | LOOKUP_REVAL);
	return filp;
}

在这个函数中,path_openat有可能会被调用三次。通常内核为了提高效率,会首先在RCU模式(rcu-walk)下进行文件打开操作;如果在此方式下打开失败,则进入普通模式(ref-walk)。第三次调用比较少用,目前只有在nfs文件系统才有可能会被使用。接下来将主要说明前两种调用方式。

2.2.path_openat

path_openat()其函数声明如下:

static struct file *path_openat(int dfd, const char *pathname,
		struct nameidata *nd, const struct open_flags *op, int flags);

该函数描述了整个路径查找过程的基本步骤,这里做简单说明。每个具体步骤的实现过程,将在本文以及后续文章中做详析说明。

1.首先通过get_empty_flip()分配一个新的file结构,分配前会对当前进程的权限和文件最大数进行判断;

2.path_init()对接下来的路径遍历做一些准备工作,主要用于判断路径遍历的起始位置,即通过根目录/,或当前路径(pwd),或指定路径(openat系统调用可以指定);

3.将当前进程的total_link_count置为0;

3.link_path_walk()对所打开文件路径进行逐一解析,每个目录项的解析结果都存在nd参数中;

4.根据最后一个目录项的结果,do_last()将填充filp所指向的file结构;

5.如果上一步中的filp所指为空,将说明当前文件为符号链接文件;

6.如果设置了LOOKUP_FOLLOW标志,则通过follow_link()进入符号链接文件所指文件,填充file;否则,直接返回当前符号链接文件的filp;

7.最终返回file结构;

2.3.path_init

path_init()用于设置路径搜寻的起始位置,主要体现在设置nd变量。其函数声明如下:

static struct file *path_openat(int dfd, const char *pathname,
		struct nameidata *nd, const struct open_flags *op, int flags);

如果flags设置了LOOKUP_ROOT标志,则表示该函数被open_by_handle_at函数调用,该函数将指定一个路径作为根;这属于特殊情况,这里暂不分析;接下来path_init主要分三种情况设置nd。

1.如果路径名name以/为起始,则表示当前路径是一个绝对路径,通过set_root设置nd;否则,表示路径name是一个相对路径;

2.如果dfd为AT_FDCWD,那么表示这个相对路径是以当前路径pwd作为起始的,因此通过pwd设置nd;

3.如果dfd不是AT_FDCWD,表示这个相对路径是用户设置的,需要通过dfd获取具体相对路径信息,进而设置nd;

上述步骤2和3都表示要打开的文件路径是以相对路径为起始的,但是两者稍有不同。步骤2为我们通常默认的open操作,而步骤3具体指的是openat系统调用,这一点体现在不同打开系统调用向do_sys_open中dfd参数所传递的值。

不管上述哪一种打开情况,均要设置nd变量,它是一个nameidata类型。在path_init中,nd的last_type都被默认设置成了LAST_ROOT。

在path_init中,如果为上述步骤1,则通过当前进程的fs->root字段更新nd的root字段,并且nd的path字段也指向root字段;如果为步骤2,则通当前进程fs->pwd更新nd的path字段;如果为步骤3,则先通过文件描述符dfd获取用户指定的工作目录file结构,然后通过file的f_path字段更新nd的path字段。需要注意的,步骤2和步骤3均未设置root字段。最终,nd中的inode字段均由path.dentry->d_inode更新。

2.4.link_path_walk

link_path_walk()主要用于对各目录项逐级遍历。其函数声明如下:

static int link_path_walk(const char *name, struct nameidata *nd);

该函数核心部分是通过一个循环完成的。在进入这个循环之前,如果路径name是一个绝对路径,那么该函数还对路径进行了一些处理,即过滤掉绝对路径/前多余的符号/。

在循环中,所要做的工作包含如下:

1.next为path类型的变量,指向下一个目录项;name指向被搜索的路径;this为qstr类型变量,表示当前搜索路径所处目录项的哈希值,用type指明当前目录项类型;

2.如果有必要,为当前目录项更新哈希值,并保存在this中;

3.如果当前目录项为“.”,则type为LAST_DOT;如果目录项为“..”,则type为LAST_DOTDOT;否则,type默认为LAST_NORM;

4.如果当前目录项紧邻的分隔符/有多个(比如/home///edsionte),则将其过滤,即使name指向最后一个/;

5.通过walk_component()处理当前目录项,更新nd和next;如果当前目录项为符号链接文件,则只更新next;

6.如果当前目录项为符号链接文件,则通过nested_symlink()进行处理,更新nd;

7.如果name中的目录项遍历完毕,则结束;否则进行下一轮循环;

通过上述循环,将用户所指定的路径name从头至尾进行了搜索,至此nd保存了最后一个目录项的信息,但是内核并没有确定最后一个目录项是否真的存在,这些工作将在do_last()中进行。

2.5.walk_component

walk_component()位于link_path_walk函数之中。该函数声明如下:

static inline int walk_component(struct nameidata *nd, struct path *path,
		struct qstr *name, int type, int follow)

在每次循环中,它将获取当前目录项的dentry结构以及inode结构等信息,即更新nd。如果当前目录项对应的inode不存在,那么将向用户态返回ENOENT;在该函数中,定义了变量inode,它将保存当前目录项对应的索引节点。

根据当前目录项类型的不同,对目录项的处理流程也不同。该函数的具体流程如下:

1.如果type为LAST_DOT和LAST_DOTDOT,将进入handle_dots()对当前目录项进行“walk”;

2.如果当前目录项为普通目录项,则通过do_lookup()对其进行处理;

3.如果should_follow_link()获知当前目录项为符号链接文件,则退出当前函数。具体的,如果当前walk模式为rcu,则直接返回-ECHILD,否则返回1。返回-ECHILD时候,将直接返回到do_filp_open(),进行ref-walk模式重新查找;如果返回1,则返回至上层函数link_path_walk(),进入netsted_symlink()进行符号链接目录项的处理;

也就是说,一旦当前目录项为符号链接文件,则需要通过ref-walk进行处理。这是因为处理符号链接文件需要通过具体文件的处理函数进行实现,这个过程可能会导致阻塞,这与rcu方式是违背的,因此需要先转换到ref-walk;

4.至此,如果当前目录项查找成功,则通过path_to_nameidata()更新nd;

3.总结

本文重点说明了open实现过程中的路径查找过程。open中的路径查找是针对用户所传递路径,按照目录项逐级进行遍历查找;对于路径中的每个目录项,不同类型的目录项有不同的处理方法。如果需要了解对“.”、“..”以及符号连接文件的处理方法,可以阅读本系列后续文章。

参考资料:

1.Linux源码3.2.69;

2.Linux系统调用open七日游:http://blog.chinaunix.net/uid-20522771-id-4419666.html

3.深入理解Linux内核:http://book.douban.com/subject/2287506/;

4.深入Linux内核架构:http://book.douban.com/subject/4843567/;

5.Linux内核探秘:http://book.douban.com/subject/25817503/;

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