分类： LINUX
2012-03-25 11:07:36
以2.6.22为例，其他的2.6.X版本可能调整，但是变化不大。
1.1 struct filestruct file结构体定义在include/linux/fs.h中定义。文件结构体代表一个打开的文件，系统中的每个打开的文件在内核空间都有一个关联的 struct file。它由内核在打开文件时创建，并传递给在文件上进行操作的任何函数。在文件的所有实例都关闭后，内核释放这个数据结构。在内核创建和驱动源码 中，struct file的指针通常被命名为file或filp。如下所示：
struct file {
union {
struct list_head fu_list; 文件对象链表指针linux/include/linux/list.h
struct rcu_head fu_rcuhead; RCU(Read-Copy Update)是Linux 2.6内核中新的锁机制
} f_u;
struct path f_path; 包含dentry和mnt两个成员，用于确定文件路径
#define f_dentry f_path.dentry f_path的成员之一，当前文件的dentry结构
#define f_vfsmnt f_path.mnt 表示当前文件所在文件系统的挂载根目录
const struct file_operations *f_op; 与该文件相关联的操作函数
atomic_t f_count; 文件的引用计数（有多少进程打开该文件）
unsigned int f_flags; 对应于open时指定的flag
mode_t f_mode; 读写模式：open的mod_t mode参数
off_t f_pos; 该文件在当前进程中的文件偏移量
struct fown_struct f_owner; 该结构的作用是通过信号进行I/O时间通知的数据。
unsigned int f_uid, f_gid; 文件所有者id，所有者组id
struct file_ra_state f_ra; 在linux/include/linux/fs.h中定义，文件预读相关
unsigned long f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *f_security;
#endif
/* needed for tty driver, and maybe others */
void *private_data;
#ifdef CONFIG_EPOLL
/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
struct list_head f_ep_links;
spinlock_t f_ep_lock;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
struct address_space *f_mapping;
};
1.2 struct dentrydentry的中文名称是目录项，是Linux文件系统中某个索引节点(inode)的链接。这个索引节点可以是文件，也可以是目录。 inode（可理解为ext2 inode）对应于物理磁盘上的具体对象，dentry是一个内存实体，其中的d_inode成员指向对应的inode。也就是说，一个inode可以在 运行的时候链接多个dentry，而d_count记录了这个链接的数量。
struct dentry {
atomic_t d_count; 目录项对象使用计数器,可以有未使用态,使用态和负状态
unsigned int d_flags; 目录项标志
struct inode * d_inode; 与文件名关联的索引节点
struct dentry * d_parent; 父目录的目录项对象
struct list_head d_hash; 散列表表项的指针
struct list_head d_lru; 未使用链表的指针
struct list_head d_child; 父目录中目录项对象的链表的指针
struct list_head d_subdirs;对目录而言，表示子目录目录项对象的链表
struct list_head d_alias; 相关索引节点（别名）的链表
int d_mounted; 对于安装点而言，表示被安装文件系统根项
struct qstr d_name; 文件名
unsigned long d_time; /* used by d_revalidate */
struct dentry_operations *d_op; 目录项方法
struct super_block * d_sb; 文件的超级块对象
vunsigned long d_vfs_flags;
void * d_fsdata;与文件系统相关的数据
unsigned char d_iname [DNAME_INLINE_LEN]; 存放短文件名
};
1.3 struct files_struct对于每个进程，包含一个files_struct结构，用来记录文件描述符的使用情况，定义在include/linux/file.h中
struct files_struct
{
atomic_t count; 使用该表的进程数
struct fdtable *fdt;
struct fdtable fdtab;
spinlock_t file_lock ____cacheline_aligned_in_smp;
int next_fd; 数值最小的最近关闭文件的文件描述符,下一个可用的文件描述符
struct embedded_fd_set close_on_exec_init;执行exec时需要关闭的文件描述符初值集合
struct embedded_fd_set open_fds_init;文件描述符的屏蔽字初值集合
struct file * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT]; 默认打开的fd队列
};
struct fdtable {
unsigned int max_fds;
struct file ** fd; 指向打开的文件描述符列表的指针，开始的时候指向fd_array，当超过max_fds时，重新分配地址
fd_set *close_on_exec; 执行exec需要关闭的文件描述符位图（fork，exec即不被子进程继承的文件描述符）
fd_set *open_fds; 打开的文件描述符位图
struct rcu_head rcu;
struct fdtable *next;
};
1.4 struct fs_structstruct fs_struct {
atomic_t count; 计数器
rwlock_t lock; 读写锁
int umask;
struct dentry * root, * pwd, * altroot;根目录（"/"），当前目录以及替换根目录
struct vfsmount * rootmnt, * pwdmnt, * altrootmnt;
};
1.5 struct inode索引节点对象由inode结构体表示，定义文件在linux/fs.h中。
struct inode {
struct hlist_node i_hash; 哈希表
struct list_head i_list; 索引节点链表
struct list_head i_dentry; 目录项链表
unsigned long i_ino; 节点号
atomic_t i_count; 引用记数
umode_t i_mode; 访问权限控制
unsigned int i_nlink; 硬链接数
uid_t i_uid; 使用者id
gid_t i_gid; 使用者id组
kdev_t i_rdev; 实设备标识符
loff_t i_size; 以字节为单位的文件大小
struct timespec i_atime; 最后访问时间
struct timespec i_mtime; 最后修改(modify)时间
struct timespec i_ctime; 最后改变(change)时间
unsigned int i_blkbits; 以位为单位的块大小
unsigned long i_blksize; 以字节为单位的块大小
unsigned long i_version; 版本号
unsigned long i_blocks; 文件的块数
unsigned short i_bytes; 使用的字节数
spinlock_t i_lock; 自旋锁
struct rw_semaphore i_alloc_sem; 索引节点信号量
struct inode_operations *i_op; 索引节点操作表
struct file_operations *i_fop; 默认的索引节点操作
struct super_block *i_sb; 相关的超级块
struct file_lock *i_flock; 文件锁链表
struct address_space *i_mapping; 相关的地址映射
struct address_space i_data; 设备地址映射
struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS];节点的磁盘限额
struct list_head i_devices; 块设备链表
struct pipe_inode_info *i_pipe; 管道信息
struct block_device *i_bdev; 块设备驱动
unsigned long i_dnotify_mask;目录通知掩码
struct dnotify_struct *i_dnotify; 目录通知
unsigned long i_state; 状态标志
unsigned long dirtied_when;首次修改时间
unsigned int i_flags; 文件系统标志
unsigned char i_sock; 套接字
atomic_t i_writecount; 写者记数
void *i_security; 安全模块
__u32 i_generation; 索引节点版本号
union {
void *generic_ip;文件特殊信息
} u;
};
下图为一个进程中各主要的文件相关结构的关系图：
下图为多个进程打开同一文件的情况：
内核的结构体不提供文件的绝对路径成员，由相对路径得到绝对路径的关键在得到当前的工作路径。
当前的工作路径可以由current->fs的pwd和pwdmnt成员得到，基本过程：
1、由pwd->d_name.Name得到当前路径名，由pwd->d_parent得到父目录dentry结构，
一直向上检索，直到父目录为"/"，此时得到的是文件在本文件系统下的路径。
2、如果current->fs->pwdmnt->mnt_mountpoint的路径不是"/"，说明文件所在的文件系统不是挂载在根目录下，需要得到挂载点。mnt_mountpoint也是一个dentry变量，方法同1。
3、最后把文件系统挂载点和文件在文件系统中的路径拼接起来即可。
2.2 由文件描述符得到文件的绝对路径由当前进程的文件描述符得到文件的绝对路径：
#if LINUX_VERSION_CODE >= 0x020616
由current->files->fdt->fd[fd]->f_path.dentry->d_name.Name
和current->files->fdt->fd[fd]->f_path.dentry->d_parent
得到在所在文件系统下的路径
由current->files->fdt->fd[fd]->f_path.mnt->mnt_mountpoint->d_name.Name
和current->files->fdt->fd[fd]->f_path.mnt->mnt_mountpoint->d_parent
得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径
#elif LINUX_VERSION_CODE >= 0x020610
由current->files->fdt->fd[fd]->f_dentry->d_name.Name
和current->files->fdt->fd[fd]->f_dentry->d_parent
得到在所在文件系统下的路径
由current->files->fdt->fd[fd]->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_name.Name
和current->files->fdt->fd[fd]->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_parent
得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径
#else
由current->files->fd[fd]->f_dentry->d_name.Name
和current->files->fd[fd]->f_dentry->d_parent
得到在所在文件系统下的路径
由current->files->fd[fd]->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_name.Name
和current->files->fd[fd]->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_parent
得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径
#endif
2.3 得到当前进程的绝对路径#if LINUX_VERSION_CODE >= 0x020616
由current->mm->mmap->vm_file->f_path.dentry->d_name.Name
和current->mm->mmap->vm_file->f_path.dentry->d_parent
得到在所在文件系统下的路径
由current->mm->mmap->vm_file->f_path.mnt->mnt_mountpoint->d_name.Name
和current->mm->mmap->vm_file->f_path.mnt->mnt_mountpoint->d_parent
得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径
#else
由current->mm->mmap->vm_file->f_dentry->d_name.Name
和current->mm->mmap->vm_file->f_dentry->d_parent
得到在所在文件系统下的路径
由current->mm->mmap->vm_file->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_name.Name
和current->mm->mmap->vm_file->f_vfsmnt->mnt_mountpoint->d_parent
得到文件系统挂载点在系统中挂载点的路径
#endif
理解inode
是一个重要概念，是理解Unix/Linux文件系统和硬盘储存的基础。
我觉得，理解inode，不仅有助于提高系统操作水平，还有助于体会Unix设计哲学，即如何把底层的复杂性抽象成一个简单概念，从而大大简化用户接口。
下面就是我的inode学习笔记，尽量保持简单。
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理解inode
作者：阮一峰
一、inode是什么？
理解inode，要从文件储存说起。
文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做"扇区"（Sector）。每个扇区储存512字节（相当于0.5KB）。
操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区地读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个"块"（block）。这种由多个扇区组成的"块"，是文件存取的最小单位。"块"的大小，最常见的是4KB，即连续八个 sector组成一个 block。
文件数据都储存在"块"中，那么很显然，我们还必须找到一个地方储存文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做inode，中文译名为"索引节点"。
每一个文件都有对应的inode，里面包含了与该文件有关的一些信息。
二、inode的内容
inode包含文件的元信息，具体来说有以下内容：
* 文件的字节数
* 文件拥有者的User ID
* 文件的Group ID
* 文件的读、写、执行权限
* 文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。
* 链接数，即有多少文件名指向这个inode
* 文件数据block的位置
可以用stat命令，查看某个文件的inode信息：
stat example.txt
总之，除了文件名以外的所有文件信息，都存在inode之中。至于为什么没有文件名，下文会有详细解释。
三、inode的大小
inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。
每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个 inode。假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。
查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量，可以使用df命令。
df -i
查看每个inode节点的大小，可以用如下命令：
sudo dumpe2fs -h /dev/hda | grep "Inode size"
由于每个文件都必须有一个inode，因此有可能发生inode已经用光，但是硬盘还未存满的情况。这时，就无法在硬盘上创建新文件。
四、inode号码
每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。
这里值得重复一遍，Unix/Linux系统内部不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。
表面上，用户通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；其次，通过inode号码，获取inode信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。
使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号码：
ls -i example.txt
五、目录文件
Unix/Linux系统中，目录（directory）也是一种文件。打开目录，实际上就是打开目录文件。
目录文件的结构非常简单，就是一系列目录项（dirent）的列表。每个目录项，由两部分组成：所包含文件的文件名，以及该文件名对应的inode号码。
ls命令只列出目录文件中的所有文件名：
ls /etc
ls -i命令列出整个目录文件，即文件名和inode号码：
ls -i /etc
如果要查看文件的详细信息，就必须根据inode号码，访问inode节点，读取信息。ls -l命令列出文件的详细信息。
ls -l /etc
六、硬链接
一般情况下，文件名和inode号码是"一一对应"关系，每个inode号码对应一个文件名。但是，Unix/Linux系统允许，多个文件名指向同一个inode号码。
这意味着，可以用不同的文件名访问同样的内容；对文件内容进行修改，会影响到所有文件名；但是，删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。这种情况就被称为"硬链接"（hard link）。
ln命令可以创建硬链接：
ln 源文件 目标文件
运行上面这条命令以后，源文件与目标文件的inode号码相同，都指向同一个inode。inode信息中有一项叫做"链接数"，记录指向该inode的文件名总数，这时就会增加1。
反过来，删除一个文件名，就会使得inode节点中的"链接数"减1。当这个值减到0，表明没有文件名指向这个inode，系统就会回收这个inode号码，以及其所对应block区域。
这里顺便说一下目录文件的"链接数"。创建目录时，默认会生成两个目录项："."和".."。前者的inode号码就是当前目录的inode号码， 等同于当前目录的"硬链接"；后者的inode号码就是当前目录的父目录的inode号码，等同于父目录的"硬链接"。所以，任何一个目录的"硬链接"总 数，总是等于2加上它的子目录总数（含隐藏目录）。
七、软链接
除了硬链接以外，还有一种特殊情况。
文件A和文件B的inode号码虽然不一样，但是文件A的内容是文件B的路径。读取文件A时，系统会自动将访问者导向文件B。因此，无论打开哪一个 文件，最终读取的都是文件B。这时，文件A就称为文件B的"软链接"（soft link）或者"符号链接（symbolic link）。
这意味着，文件A依赖于文件B而存在，如果删除了文件B，打开文件A就会报错："No such file or directory"。这是软链接与硬链接最大的不同：文件A指向文件B的文件名，而不是文件B的inode号码，文件B的inode"链接数"不会因此 发生变化。
ln -s命令可以创建软链接。
ln -s 源文文件或目录 目标文件或目录
八、inode的特殊作用
由于inode号码与文件名分离，这种机制导致了一些Unix/Linux系统特有的现象。
1. 有时，文件名包含特殊字符，无法正常删除。这时，直接删除inode节点，就能起到删除文件的作用。
2. 移动文件或重命名文件，只是改变文件名，不影响inode号码。
3. 打开一个文件以后，系统就以inode号码来识别这个文件，不再考虑文件名。因此，通常来说，系统无法从inode号码得知文件名。
第3点使得软件更新变得简单，可以在不关闭软件的情况下进行更新，不需要重启。因为系统通过inode号码，识别运行中的文件，不通过文件名。更新 的时候，新版文件以同样的文件名，生成一个新的inode，不会影响到运行中的文件。等到下一次运行这个软件的时候，文件名就自动指向新版文件，旧版文件 的inode则被回收。
