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/；