Linux 2.6.11内核文件IO系统调用详解 （2）
ZDNet 软件频道 更新时间：2007-10-18 作者：赛迪网技术社区 来源：赛迪网技术社区
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4.open 函数
4.1.原型与参数
int open(const char * pathname, int oflag, .../*, mode_t mode * / ) -1代表错误。
这里的oflag是一个整形，主要供open 函数使用，部分fcntl函数也会使用。详细的说明请用man 2
open就可以看到了。以下列出了2.6内核定义的open和fcntl函数所使用的flag宏定义，说明的格式如宏定义名称<实际常数
值>;: 描述。
O_ACCMODE <0003>;: 读写文件操作时，用于取出flag的低2位。
O_RDONLY<00>;: 只读打开
O_WRONLY<01>;: 只写打开
O_RDWR<02>;: 读写打开
O_CREAT<0100>;: 文件不存在则创建，需要mode_t，not fcntl
O_EXCL<0200>;: 如果同时指定了O_CREAT，而文件已经存在，则出错， not fcntl
O_NOCTTY<0400>;: 如果pathname指终端设备，则不将此设备分配作为此进程的控制终端。not
fcntl O_TRUNC<01000>;: 如果此文件存在，而且为只读或只写成功打开，则将其长度截短为0。not fcntl
O_APPEND<02000>;: 每次写时都加到文件的尾端
O_NONBLOCK<04000>;: 如果p a t h n a m e指的是一个F I F O、一个块特殊文件或一个字符特殊文件，则此选择项为此文件的本次打开操作和后续的I / O操作设置非阻塞方式。
O_NDELAY;;
O_SYNC<010000>;: 使每次write都等到物理I/O操作完成。
FASYNC<020000>;: 兼容BSD的fcntl同步操作
O_DIRECT<040000>;: 直接磁盘操作标识
O_LARGEFILE<0100000>;: 大文件标识
O_DIRECTORY<0200000>;: 必须是目录
O_NOFOLLOW<0400000>;: 不获取连接文件
O_NOATIME<01000000>;: 暂无
当新创建一个文件时，需要指定mode 参数，以下说明的格式如宏定义名称<实际常数值>;: 描述。
S_IRWXU<00700>;：文件拥有者有读写执行权限
S_IRUSR (S_IREAD)<00400>;：文件拥有者仅有读权限
S_IWUSR (S_IWRITE)<00200>;：文件拥有者仅有写权限
S_IXUSR (S_IEXEC)<00100>;：文件拥有者仅有执行权限
S_IRWXG<00070>;：组用户有读写执行权限
S_IRGRP<00040>;：组用户仅有读权限
S_IWGRP<00020>;：组用户仅有写权限
S_IXGRP<00010>;：组用户仅有执行权限
S_IRWXO<00007>;：其他用户有读写执行权限
S_IROTH<00004>;：其他用户仅有读权限
S_IWOTH<00002>;：其他用户仅有写权限
S_IXOTH<00001>;：其他用户仅有执行权限
4.2.实现分析
4.2.1.主要函数调用关系图
sys_open( 见4.2.2 节)
| ----------- getname( 见4.2.3 节 )
| ----------- filp_open( 见4.2.4节 )
| | ------------ open_namei( 见4.2.4.1节 )
| | | ----------- may_open( 见4.2.4.1.1节 )
| | ------------ dentry_open( 见4.2.4.2节 ) |
4.2.2.主调用函数sys_open
asmlinkage long sys_open(const char __user * filename, int flags, int mode){
char * tmp;
int fd, error;
// 如果不是32位处理器，则增加大文件标识
#if BITS_PER_LONG != 32
flags |= O_LARGEFILE;
#endif
// 为了提高使用效率，在使用之前先将文件名拷贝到内核数据区。见3.2.2说明
tmp = getname(filename);
// 获取到返回值，如果出错，则返回，否则执行打开操作。
fd = PTR_ERR(tmp);
if (!IS_ERR(tmp)) {
// 从进程的文件表中找出一个空闲的文件表指针，如果出错，则返回
fd = get_unused_fd();
if (fd >;= 0) {
// 执行打开操作。见3.2.3说明
struct file *f = filp_open(tmp, flags, mode);
// 获取返回结果，如果出错，则跳转至out_error，否则执行fd_install
error = PTR_ERR(f);
if (IS_ERR(f))
goto out_error;
// 添加打开的文件表 f 到当前进程的文件表队列中。见3.2.4说明
fd_install(fd, f);
}
out:
// 释放getname分配的内存空间
putname(tmp);
}
return fd;
out_error:
// 将文件表指针返回到进程的文件表中，并返回错误代码。
put_unused_fd(fd);
fd = error;
goto out;
} |
4.2.3.sys_open子函数getname
getname函数主要功能是在使用文件名之前将其拷贝到内核数据区，正常结束时返回内核分配的空间首地址，出错时返回错误代码。其调用了函数do_getname来实现。
static inline int do_getname(const char __user *filename, char *page){
int retval;
unsigned long len = PATH_MAX; // 内核允许的最大路径长度
// 如果进程的地址限制是否和KERNEL_DS相等，则检查文件名是否小于用户进程空间
if (!segment_eq(get_fs(), KERNEL_DS)) {
// 文件名地址大于用户进程空间，则返回错误-EFAULT
if ((unsigned long) filename >;= TASK_SIZE)
return -EFAULT;
// 获取较小的地址长度
if (TASK_SIZE - (unsigned long) filename < PATH_MAX)
len = TASK_SIZE - (unsigned long) filename;
}
// 将filename拷贝len长度到page中，返回实际拷贝长度
retval = strncpy_from_user(page, filename, len);
if (retval >; 0) {
// 如果retval大于等于len，则返回-ENAMETOOLONG
if (retval < len)
return 0;
return -ENAMETOOLONG;
} else if (!retval)
// filename 为空，则返回-ENOENT
retval = -ENOENT;
return retval;
}
char * getname(const char __user * filename){
char *tmp, *result;
result = ERR_PTR(-ENOMEM);
// 从内核缓存中分配空间，如果成功，则执行do_getname
tmp = __getname();
if (tmp) {
// 执行文件名拷贝操作
int retval = do_getname(filename, tmp);
result = tmp;
if (retval < 0) {
// do_getname出错，则释放空间，并返回错误代码
__putname(tmp);
result = ERR_PTR(retval);
}
}
// 如果前面操作成功，且audit_context不为空，则将当前文件名添加到audit列表中
if (unlikely(current->;audit_context) && !IS_ERR(result) && result)
audit_getname(result);
// 返回处理结果
return result;
} |
4.2.4.sys_open子函数filp_open
这后面的函数使用了一个nameidata的数据结构来描述文件相关的操作数据。
struct nameidata {
struct dentry *dentry; // 目录数据
struct vfsmount *mnt; // 虚拟文件挂载点数据
struct qstr last; // hash值
unsigned int flags; // 文件操作标识
int last_type; // 类型
unsigned depth;
char *saved_names[MAX_NESTED_LINKS + 1];
union {
struct open_intent open;
} intent; // 专用数据
};
struct file *filp_open(const char * filename, int flags, int mode){
int namei_flags, error;
struct nameidata nd;
namei_flags = flags;
if ((namei_flags+1) & O_ACCMODE)
namei_flags++; // 如果flags有O_WRONLY，则增加O_RDONLY
if (namei_flags & O_TRUNC)
namei_flags |= 2; // 如果有O_TRUNC，则增加O_RDWR
error = open_namei(filename, namei_flags, mode, &nd); // 如3.2.3.1 描述
if (!error)
return dentry_open(nd.dentry, nd.mnt, flags); // 如3.2.3.2描述
return ERR_PTR(error); // 返回错误代码
} |
4.2.4.1.filp_open子函数open_namei
open_namei函数主要执行文件操作的inode部分的打开等操作。
int open_namei(const char * pathname, int flag, int mode, struct nameidata *nd){
int acc_mode, error = 0;
struct dentry *dentry;
struct dentry *dir;
int count = 0;
acc_mode = ACC_MODE(flag); // 取出低2位操作标识
if (flag & O_APPEND) // 取出O_APPEND操作标识
acc_mode |= MAY_APPEND;
//赋值open函数的专用数据
nd->;intent.open.flags = flag;
nd->;intent.open.create_mode = mode;
// 如果不需要创建文件，则在进程目录文件表搜索已有文件，并把结果拷贝到nd中
if (!(flag & O_CREAT)) {
error = path_lookup(pathname, lookup_flags(flag)|LOOKUP_OPEN, nd);
if (error) // 错误代码有ENOENT,ENOTDIR,EAGAIN,ESTALE,
return error;
goto ok; // 否则执行打开函数，更新inode数据
}
// 在进程文件表中搜索该文件，如果不存在，则创建，结果由nd保存
error = path_lookup(pathname, LOOKUP_PARENT|LOOKUP_OPEN|LOOKUP_CREATE, nd);
if (error)
return error;
// 检测nd的结果是否是一个目录文件，是则返回
error = -EISDIR;
if (nd->;last_type != LAST_NORM || nd->;last.name[nd->;last.len])
goto exit;
// 获取文件的相关目录数据，结果返回到dentry中。
dir = nd->;dentry;
nd->;flags &= ~LOOKUP_PARENT;
down(&dir->;d_inode->;i_sem);
dentry = __lookup_hash(&nd->;last, nd->;dentry, nd);
do_last:
// 如果dentry是一个错误值，则返回
error = PTR_ERR(dentry);
if (IS_ERR(dentry)) {
up(&dir->;d_inode->;i_sem);
goto exit;
}
// 如果dentry不存在，则创建他
if (!dentry->;d_inode) {
if (!IS_POSIXACL(dir->;d_inode))
mode &= ~current->;fs->;umask;
error = vfs_create(dir->;d_inode, dentry, mode, nd); // 创建inode
up(&dir->;d_inode->;i_sem);
dput(nd->;dentry);
nd->;dentry = dentry;
if (error)
goto exit;
acc_mode = 0;
flag &= ~O_TRUNC;
goto ok;
}
up(&dir->;d_inode->;i_sem);
error = -EEXIST; // 如果指定了O_EXCL和O_CREAT，文件存在时，出错
if (flag & O_EXCL)
goto exit_dput;
if (d_mountpoint(dentry)) { // 检测文件是否是连接文件
error = -ELOOP;
if (flag & O_NOFOLLOW) // 如果指定不遍历连接文件，则返回
goto exit_dput;
// 检测dentry挂载点
while (__follow_down(&nd->;mnt,&dentry) && d_mountpoint(dentry));
}
error = -ENOENT;
if (!dentry->;d_inode) // inode 不存在，则返回
goto exit_dput;
if (dentry->;d_inode->;i_op && dentry->;d_inode->;i_op->;follow_link)
goto do_link; // 允许遍历连接文件，则手工找到连接文件对应的文件
// 将处理后的dentry复制到nd结构中，并判断其是否是目录，是则返回错误
dput(nd->;dentry);
nd->;dentry = dentry;
error = -EISDIR;
if (dentry->;d_inode && S_ISDIR(dentry->;d_inode->;i_mode))
goto exit;
ok:
error = may_open(nd, acc_mode, flag); // 打开文件，返回处理结果代码。如3.2.3.1.1描述
if (error)
goto exit;
return 0;
exit_dput:
dput(dentry); // 释放dentry
exit:
path_release(nd); // 释放nd结构
return error; // 返回错误代码
do_link:
error = -ELOOP;
if (flag & O_NOFOLLOW)
goto exit_dput; // 不允许遍历连接文件，则返回错误
// 以下代码是手工找到连接文件对应的文件dentry数据
nd->;flags |= LOOKUP_PARENT;
error = security_inode_follow_link(dentry, nd);
if (error)
goto exit_dput;
error = __do_follow_link(dentry, nd);
dput(dentry);
if (error)
return error;
nd->;flags &= ~LOOKUP_PARENT;
if (nd->;last_type == LAST_BIND) {
dentry = nd->;dentry;
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;
if (count++==32) {
putname(nd->;last.name);
goto exit;
}
dir = nd->;dentry;
down(&dir->;d_inode->;i_sem);
dentry = __lookup_hash(&nd->;last, nd->;dentry, nd);
putname(nd->;last.name);
goto do_last;
} |
4.2.4.1.1.filp_open子函数may_open
may_open执行权限检测和文件打开，和truncate的操作。
int may_open(struct nameidata *nd, int acc_mode, int flag){
struct dentry *dentry = nd->;dentry;
struct inode *inode = dentry->;d_inode;
int error;
if (!inode) return -ENOENT; // inode为空，则返回错误
if (S_ISLNK(inode->;i_mode)) // 连接文件，返回错误
return -ELOOP;
if (S_ISDIR(inode->;i_mode) && (flag & FMODE_WRITE))
return -EISDIR; // 是目录且仅有写权限，返回错误
error = permission(inode, acc_mode, nd); // 见擦inode的accmode
if (error)
return error;
if (S_ISFIFO(inode->;i_mode) || S_ISSOCK(inode->;i_mode)) {
flag &= ~O_TRUNC; // 如果是FIFO文件，则不允许truncate
} else if (S_ISBLK(inode->;i_mode) || S_ISCHR(inode->;i_mode)) {
if (nd->;mnt->;mnt_flags & MNT_NODEV)
return -EACCES; // 如果是设备，则不允许truncate，否则返回错误
flag &= ~O_TRUNC;
} else if (IS_RDONLY(inode) && (flag & FMODE_WRITE))
return -EROFS; 如果flag标识和inode权限冲突，则返回错误
// 如果inode只允许append方式写入，则不允许truncate和非append写入方式。
if (IS_APPEND(inode)) {
if ((flag & FMODE_WRITE) && !(flag & O_APPEND))
return -EPERM;
if (flag & O_TRUNC)
return -EPERM;
}
// O_NOATIME方式仅在inode用户是文件拥有者或者超级用户情况下才被允许
if (flag & O_NOATIME)
if (current->;fsuid != inode->;i_uid && !capable(CAP_FOWNER))
return -EPERM;
// 检查是否有其他进程在使用该文件
error = break_lease(inode, flag);
if (error)
return error;
if (flag & O_TRUNC) {
error = get_write_access(inode); // 获取一次inode写操作权限
if (error)
return error;
// 锁定inode
error = locks_verify_locked(inode);
if (!error) {
DQUOT_INIT(inode); // 对inode执行配额初始化
error = do_truncate(dentry, 0); // truncate dentry
}
put_write_access(inode); // 释放当前写操作权限
if (error)
return error;
} else
if (flag & FMODE_WRITE) // 如果有写标识，则对inode执行配额初始化
DQUOT_INIT(inode);
return 0;
} |
4.2.4.2.open_namei子函数dentry_open
dentry_open函数主要实现文件表的对应打开等操作，返回文件指针。
struct file *dentry_open(struct dentry *dentry, struct vfsmount *mnt, int flags){
struct file * f;
struct inode *inode;
int error;
error = -ENFILE;
f = get_empty_filp(); // 从进程文件表中获取一个未使用的文件结构指针，空则出错返回
if (!f)
goto cleanup_dentry;
// 设置文件的flags和mode标识
f->;f_flags = flags;
f->;f_mode = ((flags+1) & O_ACCMODE) | FMODE_LSEEK | FMODE_PREAD | FMODE_PWRITE;
inode = dentry->;d_inode;
if (f->;f_mode & FMODE_WRITE) {
error = get_write_access(inode); // 获取一次inode写操作权限
if (error)
goto cleanup_file;
}
// 初始化文件结构
f->;f_mapping = inode->;i_mapping;
f->;f_dentry = dentry;
f->;f_vfsmnt = mnt;
f->;f_pos = 0;
f->;f_op = fops_get(inode->;i_fop);
file_move(f, &inode->;i_sb->;s_files);
// 调用文件驱动模块初始化物理磁盘
if (f->;f_op && f->;f_op->;open) {
error = f->;f_op->;open(inode,f);
if (error)
goto cleanup_all;
}
f->;f_flags &= ~(O_CREAT | O_EXCL | O_NOCTTY | O_TRUNC);
// 初始化上次读取状态
file_ra_state_init(&f->;f_ra, f->;f_mapping->;host->;i_mapping);
// 如果设置了O_DIRECT，则检测文件结构中是否有驱动的操作函数指针
if (f->;f_flags & O_DIRECT) {
if (!f->;f_mapping->;a_ops || !f->;f_mapping->;a_ops->;direct_IO) {
fput(f);
f = ERR_PTR(-EINVAL);
}
}
return f; // 返回文件结构
cleanup_all: // 出错，则释放资源并返回
fops_put(f->;f_op);
if (f->;f_mode & FMODE_WRITE)
put_write_access(inode);
file_kill(f);
f->;f_dentry = NULL;
f->;f_vfsmnt = NULL;
cleanup_file:
put_filp(f);
cleanup_dentry:
dput(dentry);
mntput(mnt);
return ERR_PTR(error);
} |
4.3. 总结
open函数的主要操作就是为文件初始化inode，初始化文件结构，刷新进程文件链表。
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