Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Негативный объект dentry[72] не связан с существующим файловым индексом (поле d_inode равно значению NULL), потому что или файловый индекс был удален, или соответствующий элемент пути никогда не существовал. Такие объекты элементов каталогов сохраняются, чтобы в будущем поиск по имени пути проходил быстрее. Хотя такие объекты dentry и полезны, но они при необходимости могут уничтожаться, поскольку никто их на самом деле не использует.

Объект dentry может быть освобожден, оставаясь в слябовом кэше объектов, как обсуждалось в предыдущей главе. В таком случае на этот объект нет ссылок ни в коде VFS, ни в коде файловых систем.

Кэш объектов dentry

После того как подсистема VFS преодолела все трудности, связанные с переводом всех элементов пути в объекты элементов каталогов, и был достигнут конец пути, то было бы достаточно расточительным выбрасывать на ветер всю проделанную работу. Ядро кэширует объекты в кэше элементов каталога, который называют dcache.

Кэш объектов dentry состоит из трех частей.

• Список "используемых" объектов dentry, которые связаны с определенным файловым индексом (поле i_dentry объекта inode). Поскольку указанный файловый индекс может иметь несколько ссылок, то ему может соответствовать несколько объектов dentry, а следовательно используется связанный список.

• Двухсвязный список неиспользуемых и негативных объектов dentry "с наиболее поздним использованием" (last recently used, LRU). Вставки элементов в этот список отсортированы по времени, поэтому элементы, которые находятся в начале списка, — самые новые. Когда ядро должно удалить элементы каталогов для освобождения памяти, то эти элементы берутся из конца списка, потому что там находятся элементы, которые использовались наиболее давно и для которых меньше шансов, что они понадобятся в ближайшем будущем.

• Хеш-таблица и хеш-функция, которые позволяют быстро преобразовать заданный путь в объект dentry.

Указанная хеш-таблица представлена с помощью массива dentry_hashtable. Каждый элемент массива — это указатель на список тех объектов dentry, которые соответствуют одному ключу. Размер этого массива зависит от объема физической памяти в системе.

Значение ключа определяется функцией d_hash(), что позволяет для каждой файловой системы реализовать свою хеш-функцию.

Поиск в хеш-таблице выполняется с помощью функции d_lookup(). Если в кэше dcache найден соответствующий объект, то это значение возвращается. В случае ошибки возвращается значение NULL.

В качестве примера рассмотрим редактирование файла исходного кода в вашем домашнем каталоге, /home/dracula/src/fоо.с. Каждый раз, когда производится доступ к этому файлу (например, при первом открытии, при последующей записи, при компиляции и так далее), подсистема VFS должна пройти через псе элементы каталогов в соответствии с путем к файлу: /, home, dracula, src и, наконец, foo.c. Для того чтобы каждый раз при доступе к этому (и любому другому) имени пути избежать выполнения данной операции, которая требует довольно больших затрат времени, подсистема VFS вначале может попытаться найти это имя пути в dentry-кэше. Если поиск проходит успешно, то необходимый конечный элемент каталога нужного пути получается без особых усилий. Если же данного элемента каталога нет в dentry-кэше, то подсистема VFS должна самостоятельно отследить путь. После завершения поиска найденные объекты dentry помещаются в кэш dcache, чтобы ускорить поиск в будущем.

Кэш dcache также является интерфейсом к кэшу файловых индексов icache. Объекты inode связаны с объектами dentry, поскольку объект dentry поддерживает положительное значение счетчика использования для связанного с ним индекса. Это в свою очередь позволяет объектам dentry удерживать связанные с ними объекты mode в памяти. Иными словами, если закэширован элемент каталога, то соответственно оказывается закэшированным и соответствующий ему файловый индекс. Следовательно, если поиск в кэше для некоторого имени пути прошел успешно, то соответствующие файловые индексы уже закэшированы в памяти.

Операции с элементами каталогов

Структура dentry_operations содержит методы, которые подсистема VFS может вызывать для элементов каталогов определенной файловой системы. Эта структура определена в файле <linux/dcache.h> следующим образом.

struct dentry_operations {

 int (*d_revalidate)(struct dentry*, int);

 int (*d_hash)(struct dentry*, struct qstr*);

 int (*d_compare)(struct dentry*, struct qstr*, struct qstr*);

 int (*d_delete)(struct dentry*);

 void (*d_release)(struct dentry*);

 void (*d_iput)(struct dentry*, struct inode*);

};

Методы служат для следующих целей

• int d_revalidate(struct dentry *dentry, int flags);

Эта функция определяет, является ли указанный объект элемента каталога действительным. Подсистема VFS вызывает эту функцию, когда она пытается использовать объект dentry из кэша dcache. Для большинства файловых систем этот метод установлен в значение NULL, потому что объекты dentry, которые находятся в кэше, всегда действительны.

• int d_hash(struct dentry *dentry, struct qstr *name);

Эта функция создает значение хеш-ключа на основании указанного объекта dentry. Подсистема VFS вызывает эту функцию всякий раз, когда добавляет объект элемента каталога в хеш-таблицу.

• int d_compare(struct dentry *dentry,

  struct qstr *name1, struct qstr *name2);

Эта функция вызывается подсистемой VFS для сравнения двух имен файлов name1 и name2. Большинство файловых систем используют умолчание VFS, которое соответствует простому сравнению двух строк. Для некоторых файловых систем, таких как FAT, не достаточно простого сравнения строк. Файловая система FAT не чувствительна к регистру символов в именах файлов, поэтому появляется необходимость в реализации функции, которая при сравнении не учитывает регистр символов. Эта функция вызывается при захваченной блокировке dcache_lock[73].

• int d_delete(struct dentry *dentry);

Эта функция вызывается подсистемой VFS, когда количество ссылок d_count указанного объекта dentry становится равным пулю. Функция вызывается при захваченной блокировке dcache_lock.

• void d_release(struct dentry *dentry);

Эта функция вызывается подсистемой VFS, когда она собирается освободить указанный объект dentry. По умолчанию данная функция не выполняет никаких действий.

• void d_iput(struct dentry *dentry, struct inode *inode);

Эта функция вызывается подсистемой VFS, когда элемент каталога теряет связь со своим файловым индексом (например, когда этот элемент каталога удаляется с диска). По умолчанию подсистема VFS просто вызывает функцию iput(), чтобы освободить соответствующий объект inode. Если файловая система переопределяет эту функцию, то она также должна вызывать функцию iput() в дополнение к специфичной для файловой системы работе.

Объект file

Последним из основных объектов подсистемы VFS рассмотрим объект файла. Объект File используется для представления файлов, которые открыты процессом. Когда мы думаем о подсистеме VFS с точки зрения пространства пользователя, то объект файла — это то, что первое приходит в голову. Процессы непосредственно работают с файлами, а не с суперблоками, индексами или элементами каталогов. Не удивительно, что информация, которая содержится в объекте file, наиболее привычна (такие данные, как режим доступа или текущее смещение), а файловые операции очень похожи на знакомые системные вызовы, такие как read() и write().

Объект файла — это представление открытого файла, которое хранится в оперативной памяти. Объект (а не сам файл) создается в ответ на системный вызов open() и уничтожается в результате системного вызова close(). Все вызовы, связанные с файлом, на самом деле являются методами, которые определены в таблице операций с файлом. Так как несколько процессов могут одновременно открыть и использовать один и тот же файл, то для одного файла может существовать несколько объектов file. Файловый объект просто представляет открытый файл с точки зрения процесса. Этот объект содержит указатель на соответствующий элемент каталога (который, в свою очередь, указывает на файловый индекс), представляющий открытый файл. Соответствующие объекты inode и dentry, конечно, являются уникальными.

Файловый объект представляется с помощью структуры struct file, которая определена в файле <linux/fs.h>. Рассмотрим поля этой структуры с комментариями, которые описывают назначение каждого поля.

struct file {

 struct list_head       f_list;      /* список объектов file */

 struct dentry          *f_dentry;   /* связанный объект dentry */

 struct vfsmount        *f_vfsmnt;   /* связанная смонтированная

                                        файловая система */