Linux内核源码阅读之打开文件篇

Linux中打开文件是通过open系统调用实现，其函数中调用了do_sys_open()函数完成打开功能，所以下面主要分析do_sys_open()函数，首先先看下open系统调用的入口函数，再具体看do_sys_open()函数：

SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *, filename, int, flags, int, mode)
{long ret;if (force_o_largefile())flags |= O_LARGEFILE;ret = do_sys_open(AT_FDCWD, filename, flags, mode);/* avoid REGPARM breakage on x86: */asmlinkage_protect(3, ret, filename, flags, mode);return ret;
}long do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, int mode)
{/*获取文件名称，由getname()函数完成，其内部首先创建存取文件名称的空间，然后*从用户空间把文件名拷贝过来*/char *tmp = getname(filename);int fd = PTR_ERR(tmp);if (!IS_ERR(tmp)) {/*获取一个可用的fd，此函数调用alloc_fd()函数从fd_table中获取一个可用fd,并做些简单初始化，此函数内部实现比较简单，此次分析不细看*/fd = get_unused_fd_flags(flags);if (fd >= 0) {/*fd获取成功则开始打开文件，此函数是主要完成打开功能的函数，在此先放一放，下面详细分析*/struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, flags, mode, 0);if (IS_ERR(f)) {/*打开失败，释放fd*/put_unused_fd(fd);fd = PTR_ERR(f);} else {/*文件如果已经被打开了，调用fsnotify_open()函数*/fsnotify_open(f->f_path.dentry);/*将文件指针安装在fd数组中*/fd_install(fd, f);}}/*释放放置从用户空间拷贝过来的文件名的存储空间*/putname(tmp);}return fd;
}

接下来即将进入到打开功能的真正实现功能的函数do_filp_open()函数：

struct file *do_filp_open(int dfd, const char *pathname,int open_flag, int mode, int acc_mode)
{/**…若干变量声明*//*改变参数flag的值，具体做法是flag+1*/int flag = open_to_namei_flags(open_flag);int force_reval = 0;/*根据__O_SYNC标志来设置O_DSYNC 标志，用以防止恶意破坏程序*/if (open_flag & __O_SYNC)open_flag |= O_DSYNC;/*设置访问权限*/if (!acc_mode)acc_mode = MAY_OPEN | ACC_MODE(open_flag);/*根据 O_TRUNC标志设置写权限 */if (flag & O_TRUNC)acc_mode |= MAY_WRITE;/* 设置O_APPEND 标志*/if (flag & O_APPEND)acc_mode |= MAY_APPEND;/*如果不是创建文件*/if (!(flag & O_CREAT)) {/*返回特定的file结构体指针*/filp = get_empty_filp();if (filp == NULL)return ERR_PTR(-ENFILE);/*填充nameidata 结构*/nd.intent.open.file = filp;filp->f_flags = open_flag;nd.intent.open.flags = flag;nd.intent.open.create_mode = 0;/*当内核要访问一个文件的时候，第一步要做的是找到这个文件，而查找文件的过程在vfs里面是由path_lookup或者path_lookup_open函数来完成的。这两个函数将用户传进来的字符串表示的文件路径转换成一个dentry结构，并建立好相应的inode和file结构，将指向file的描述符返回用户。用户随后通过文件描述符，来访问这些数据结构*/error = do_path_lookup(dfd, pathname,lookup_flags(flag)|LOOKUP_OPEN, &nd);if (IS_ERR(nd.intent.open.file)) {if (error == 0) {error = PTR_ERR(nd.intent.open.file);/*减少dentry和vsmount得计数*/path_put(&nd.path);}} else if (error)/*如果查找失败则释放一些资源*/release_open_intent(&nd);if (error)return ERR_PTR(error);goto ok;}/*到此则是要创建文件*/
reval:/* path-init为查找作准备工作，path_walk真正上路查找，这两个函数联合起来根据一段路径名找到对应的dentry */error = path_init(dfd, pathname, LOOKUP_PARENT, &nd);if (error)return ERR_PTR(error);if (force_reval)nd.flags |= LOOKUP_REVAL;/*这个函数相当重要，就如源代码注释的那样，是整个NFS的名字解析函数，其实也是NFS得以构筑的函数。这里作一重点分析。这里先作一个综述。该函数采用一个for循环，对name路径根据目录的层次，一层一层推进，直到终点或失败。在推进的过程中，一步步建立了目录树的dentry和对应的inode */error = path_walk(pathname, &nd);if (error) {if (nd.root.mnt)path_put(&nd.root);return ERR_PTR(error);}if (unlikely(!audit_dummy_context()))/*保存inode节点信息*/audit_inode(pathname, nd.path.dentry);/*父节点信息*/error = -EISDIR;if (nd.last_type != LAST_NORM || nd.last.name[nd.last.len])goto exit_parent;error = -ENFILE;/*获取文件指针*/filp = get_empty_filp();if (filp == NULL)goto exit_parent;/*填充nameidata 结构*/nd.intent.open.file = filp;filp->f_flags = open_flag;nd.intent.open.flags = flag;nd.intent.open.create_mode = mode;dir = nd.path.dentry;nd.flags &= ~LOOKUP_PARENT;nd.flags |= LOOKUP_CREATE | LOOKUP_OPEN;if (flag & O_EXCL)nd.flags |= LOOKUP_EXCL;mutex_lock(&dir->d_inode->i_mutex);/*从哈希表中查找nd对应的dentry*/path.dentry = lookup_hash(&nd);path.mnt = nd.path.mnt;do_last:error = PTR_ERR(path.dentry);if (IS_ERR(path.dentry)) {mutex_unlock(&dir->d_inode->i_mutex);goto exit;}if (IS_ERR(nd.intent.open.file)) {error = PTR_ERR(nd.intent.open.file);goto exit_mutex_unlock;}/*如果此dentry结构没有对应的inode节点，说明是无效的，应该创建文件节点 */if (!path.dentry->d_inode) {/*write权限是必需的*/error = mnt_want_write(nd.path.mnt);if (error)goto exit_mutex_unlock;/*按照namei格式的flag open*/error = __open_namei_create(&nd, &path, flag, mode);if (error) {mnt_drop_write(nd.path.mnt);goto exit;}/*根据nameidata 得到相应的file结构*/filp = nameidata_to_filp(&nd);/*放弃写权限*/mnt_drop_write(nd.path.mnt);if (nd.root.mnt)/*计数减一*/path_put(&nd.root);if (!IS_ERR(filp)) {error = ima_file_check(filp, acc_mode);if (error) {fput(filp);filp = ERR_PTR(error);}}return filp;}/*要打开的文件已经存在*/mutex_unlock(&dir->d_inode->i_mutex);/*保存inode节点*/audit_inode(pathname, path.dentry);/*省略若干flag标志检查代码        *//*路径装化为相应的nameidata 结构*/path_to_nameidata(&path, &nd);error = -EISDIR;/*如果是文件夹*/if (S_ISDIR(path.dentry->d_inode->i_mode))goto exit;
ok:/*检测是否截断文件标志*/will_truncate = open_will_truncate(flag, nd.path.dentry->d_inode);if (will_truncate) {/*要截断的话就要获取写权限*/error = mnt_want_write(nd.path.mnt);if (error)goto exit;}//may_open执行权限检测、文件打开和truncate的操作error = may_open(&nd.path, acc_mode, flag);if (error) {if (will_truncate)mnt_drop_write(nd.path.mnt);goto exit;}filp = nameidata_to_filp(&nd);if (!IS_ERR(filp)) {error = ima_file_check(filp, acc_mode);if (error) {fput(filp);filp = ERR_PTR(error);}}if (!IS_ERR(filp)) {if (acc_mode & MAY_WRITE)vfs_dq_init(nd.path.dentry->d_inode);if (will_truncate) {//处理截断error = handle_truncate(&nd.path);if (error) {fput(filp);filp = ERR_PTR(error);}}}//安全的放弃写权限if (will_truncate)mnt_drop_write(nd.path.mnt);if (nd.root.mnt)path_put(&nd.root);return filp;exit_mutex_unlock:mutex_unlock(&dir->d_inode->i_mutex);
exit_dput:path_put_conditional(&path, &nd);
exit:if (!IS_ERR(nd.intent.open.file))release_open_intent(&nd);
exit_parent:if (nd.root.mnt)path_put(&nd.root);path_put(&nd.path);return ERR_PTR(error);
//允许遍历连接文件，则手工找到连接文件对应的文件
do_link:error = -ELOOP;if (flag & O_NOFOLLOW)//不允许遍历连接文件，返回错误goto exit_dput;/*以下是手工找到链接文件对应的文件dentry结构代码*/// 设置查找LOOKUP_PARENT标志nd.flags |= LOOKUP_PARENT;//判断操作是否安全error = security_inode_follow_link(path.dentry, &nd);if (error)goto exit_dput;// 处理符号链接error = __do_follow_link(&path, &nd);path_put(&path);if (error) {release_open_intent(&nd);if (nd.root.mnt)path_put(&nd.root);if (error == -ESTALE && !force_reval) {force_reval = 1;goto reval;}return ERR_PTR(error);}nd.flags &= ~LOOKUP_PARENT;// 检查最后一段文件或目录名的属性情况if (nd.last_type == LAST_BIND)goto ok;error = -EISDIR;if (nd.last_type != LAST_NORM)goto exit;if (nd.last.name[nd.last.len]) {__putname(nd.last.name);goto exit;}error = -ELOOP;// 出现回环标志: 循环超过32次if (count++==32) {__putname(nd.last.name);goto exit;}dir = nd.path.dentry;mutex_lock(&dir->d_inode->i_mutex);// 更新路径的挂接点和dentrypath.dentry = lookup_hash(&nd);path.mnt = nd.path.mnt;__putname(nd.last.name);goto do_last;
}

分析完上述主要函数以后，我们来看一下整个打开流程是如何做到的：
在内核中要打开一个文件，首先应该找到这个文件，而查找文件的过程在vfs里面是由do_path_lookup或者path_lookup_open函数来完成的。这两个函数将用户传进来的字符串表示的文件路径转换成一个dentry结构，并建立好相应的inode和file结构，将指向file的描述符返回用户。用户随后通过文件描述符，来访问这些数据结构。
基本函数流程及调用方式如下所示：
打开过程首先是open系统调用访问SYSCALL_DEFINE3函数，然后调用do_sys_open 函数完成主要功能，再调用函数do_filp_open完成主要的打开功能，下面详细看下do_filp_open中调用的do_path_lookup主要过程：

staic int  do_path_lookup(int dfd,const char *name,unsigned int flags,struct nameidata *nd)
{int retval=path_init(dfd,name,flags,nd);//设置nd->root=根路径（绝对地址）或者当前工作目录（相对地址） 。//这一步做完了后，内核会建立一些数据结构（dentry,inode）来初始化查找的起点if(!retval)retval = path_walk(name,nd);//path_walk,会遍历路径的每一份量，也就是用“/”分隔开的每一部分，//最中找到name指向的文件，walk的意思就是walk path的每一个组分（component）
}

我们进一步看看path_walk

int path_walk(const char *name,struct nameidata *nd)
{return link_path_walk(name,nd);//path_walk其实相当于直接调用link_path_walk来完成工作
}

link_path_walk的主要工作是有其内部函数__link_path_walk 来完成的
result = __link_path_walk(name,nd)

至此我们转向最重要的代码__link_walk_path,该函数把传进来的字符串name，也就是用户指定的路径，按路径分隔符分解成一系列小的component。比如用户说，我要找/path/to/dest这个文件，那么我们的文件系统就会按path,to,dest一个一个来找，知道最后一个分量是文件或者查找完成。他找的时候，会先用path_init初始化过的根路径去找第一个分量，也就是path。然后用path的dentry->d_inode去找to，这样循环到最后一个。注意，内核会缓存找到的路径分量，所以往往只有第一次访问一个路径的时候，才会去访问磁盘，后面的访问会直接从缓存里找，下面会看到，很多与页告诉缓存打交道的代码。但不管怎样，第一遍查找总是会访问磁盘的。
static int __link_path_walk(const char *name,struct nameidata *nd)
{
}
至此，按照每一个component查找完成之后，就会找到相应的文件，然后相应的打开工作就基本完成了。

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