摘要

本文深入分析了Linux索引节点缓存的实现

1. Linux inode cache分析

Linux inode cache机制实现在fs／inode.c文件中。

1.1 Inode的slab分配器缓存

索引节点缓存(inode cache，简称icache)机制的实现是以inode对象的slab分配器缓存为基础的，因此要从物理内存中申请或释放一个inode对象，都必须通过kmem_cache_alloc()函数和kmem_cache_free()函数来进行。

Inode对象的slab分配缓存由一个kmem_cache_t类型的指针变量inode_cachep来定义。这个slab分配器缓存是在inode cache的初始化函数inode_init()中通过kmem_cache_create()函数来创建的。

Linux在inode.c文件中又定义了两个封装函数，来实现从inode_cachep slab分配器缓存中分配一个inode对象或将一个不再使用的inode对象释放给slab分配器，如下所示：

#define alloc_inode()

((struct inode *) kmem_cache_alloc(inode_cachep, SLAB_KERNEL))

static void destroy_inode(struct inode *inode)

{

if (!list_empty(&inode->i_dirty_buffers))

BUG();

kmem_cache_free(inode_cachep, (inode));

}

1.2 和inode对象相关的一些底层操作

源文件inode.c中实现了一些对inode对象的底层基本操作，如下：

(1)clean_inode()——初始化部分inode对象成员域该函数用来将一个刚从inode_cachep slab分配器中分配得到的inode对象中的某些成员初始化为已知的值(通常为0)，但是有一个例外，既链接数i_nlink被初始化为1。这是一个静态的静态内部函数，因此它只能被inode.c中的其他函数所调用，如：get_empty_inode()和get_new_inode()。

/*

* This just initializes the inode fields

* to known values before returning the inode..

*

* i_sb, i_ino, i_count, i_state and the lists have

* been initialized elsewhere..

*/

static void clean_inode(struct inode *inode)

{

static struct address_space_operations empty_aops;

static struct inode_operations empty_iops;

static struct file_operations empty_fops;

memset(&inode->u, 0, sizeof(inode->u));

inode->i_sock = 0;

inode->i_op = &empty_iops;

inode->i_fop = &empty_fops;

inode->i_nlink = 1; ／＊ NOTE！i_nlink被初始化为1 ＊／

atomic_set(&inode->i_writecount, 0);

inode->i_size = 0;

inode->i_generation = 0;

memset(&inode->i_dquot, 0, sizeof(inode->i_dquot));

inode->i_pipe = NULL;

inode->i_bdev = NULL;

inode->i_data.a_ops = &empty_aops;

inode->i_data.host = inode;

inode->i_mapping = &inode->i_data;

}

(2)get_empty_inode()——从slab分配器中分配一个空的inode对该函数通过调用alloc_inode宏从slab分配器中分配一个inode对象，然后把除了I_count引用计数和链接计数I_nlink之外的所有域都初始化为NULL(部分域的初始化通过调用clean_inode函数来完成)，并将这个inode对象链入inode_in_use链表中。最后返回这个inode对象的指针，如下所示：

struct inode * get_empty_inode(void)

{

static unsigned long last_ino;

struct inode * inode;

inode = alloc_inode();

if (inode)

{

spin_lock(&inode_lock);

inodes_stat.nr_inodes++;

list_add(&inode->i_list, &inode_in_use);

inode->i_sb = NULL;

inode->i_dev = 0;

inode->i_ino = ++last_ino;

inode->i_flags = 0;

atomic_set(&inode->i_count, 1);

inode->i_state = 0;

spin_unlock(&inode_lock);

clean_inode(inode);

}

return inode;

}

Linux内核模块通常并不会调用这个函数来分配一个inode对象。那些想获取一个没有索引节点号的inode对象的内核模块(如网络层等)，以及那些没有任何已知信息的fs，通常会用这个函数来获取一个新的inode对象。

(3) clear_inode()——清除一个inode对象中的内容在调用destroy_inode()函数释放一个inode对象之前，通常调用该函数来清除该inode对象中内容，如：使inode引用的缓冲区无效、解除对其它对象的引用等。

/**

* clear_inode - clear an inode

* @inode: inode to clear

*

* This is called by the filesystem to tell us

* that the inode is no longer useful. We just

* terminate it with extreme prejudice.

*/

void clear_inode(struct inode *inode)

{

if (!list_empty(&inode->i_dirty_buffers))

invalidate_inode_buffers(inode);

if (inode->i_data.nrpages)

BUG();

if (!(inode->i_state & I_FREEING))

BUG();

if (inode->i_state & I_CLEAR)

BUG();

wait_on_inode(inode);

if (IS_QUOTAINIT(inode))

DQUOT_DROP(inode);

if (inode->i_sb && inode->i_sb->s_op && inode->i_sb->s_op->clear_inode)

inode->i_sb->s_op->clear_inode(inode);

if (inode->i_bdev) {

bdput(inode->i_bdev);

inode->i_bdev = NULL;

}

inode->i_state = I_CLEAR;

}

1.3 icache数据结构

Linux通过在inode_cachep slab分配器缓存之上定义各种双向链表来实现inode缓存机制，以便有效地管理内存inode对象。这些链表包括：正在使用的inode链表、未使用的inode链表、inode哈希链表和匿名inode的哈希链表，他们的定义如下：

static LIST_HEAD(inode_in_use);

static LIST_HEAD(inode_unused);

static struct list_head *inode_hashtable;

static LIST_HEAD(anon_hash_chain); /* for inodes with NULL i_sb */

此外，每个超级块对象super_block中还有一条被修改过的、且正在使用的inode双向链表s_dirty。

每一个inode对象都会存在于两个分离的双向链表中：

(1)一个就是inode哈希链表inode_hashtable，用来加快inode查找，每个inode对象都通过I_hash指针链入哈希链表中。

(2)另一个就是inode的“类型”链表：

如果I_count>0、I_nlink>0且该inode不脏，则这个inode就通过其I_list指针链入系统全局的inode_in_use双向链表。

如果I_count和I_nlink都大于0，但是这个inode为脏(既I_state域中设置了I_DIRTY标志)，则这个inode通过I_list指针链入他所属的super_block对象的s_dirty链表。

如果I_count＝0，则通过其I_list链入inode_unused链表。

对于那些不属于任何超级块对象(即I_sb＝NULL)的匿名inode对象，则通过I_hash指针链入系统全局的匿名inode哈希链表anon_hash_chain。

1.3.1 对inode缓存链表的锁保护

Linux在inode.c中定义了自旋锁inode_lock，来实现对所有inode缓存链表的互斥访问。也即，任何访问任意一条inode缓存链表的代码段，都必须通过调用spin_lock()函数持有该自旋锁，并在结束访问后通过spin_unlock()释放该自旋锁。Inode_lock的定义如下： Spinlock_t inode_lock＝SPIN_LOCK_UNLOCKED； NOTE！如果要改变一个正在使用的inode对象的I_state域，也必须先持有该自旋锁。

1.3.2 inode缓存的统计信息

全局变量inodes_stat定义了inode cache的统计信息，主要包括cache中的inode对象总数和其中未使用的inode个数，其定义如下：

struct {

int nr_inodes;

int nr_unused;

int dummy[5];

} inodes_stat;

1.3.3 inode哈希链表

inode哈希链表的主要用途是加快在icache中查找一个特定的inode对象。指针inode_hashtable指向一组哈希链表表头，所有哈希函数值(记为h)相同的inode对象都通过I_hash指针作为接口组成双向链表，并挂在inode_hashtable［h］这个哈希链表表头之后。所有哈希链表表头都放在一起组成一个数组，该数组的首地址由指针inode_hashtable所指向。

在Linux中，inode哈希链表表头数组是存放在2order个连续的物理页帧中的，其中，order≥1，且它的值与系统总的物理页帧数num_physpages的值相关。因此，哈希链表表头的个数为：2order＊PAGE_SIZE／sizeof(struct list_head)。由于list_head结构类型的大小是8个字节(2个32位指针)，因此：inode哈希链表表头的个数可以表示为：2(order+12-3)。

(1)哈希链表的初始化

inode cache的初始化工作是由inode_init()函数来完成的,它主要完成两项工作:(1)inode哈希链表的初始化,包括为inode哈希链表表头数组分配物理内存等；

(2)创建inode slab分配器缓存。该函数的源代码如下：

/*

* Initialize

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