Linux虚拟文件系统(2)

2.3 目录项-dentry

目录项，即 dentry，用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的关联关系。多个关联的目录项，就构成了文件系统的目录结构。和上一章中超级块和索引节点不同，目录项并不是实际存在于磁盘上的，在使用的时候在内存中创建目录项对象，目录项是由内核维护的一个内存数据结构，所以通常也被叫做目录项缓存。其实通过索引节点已经可以定位到指定的文件，但是索引节点对象的属性非常多，在查找，比较文件时，直接用索引节点效率不高，所以引入了目录项的概念。

目录项的目的就是提高文件查找，比较的效率，所以访问过的目录项都会缓存在slab中。

slab中缓存的名称一般就是 dentry，可以通过如下命令查看：

dentry的相关属性结构

/* 目录项对象结构 */
struct dentry {
    atomic_t d_count;       /* 使用计数：跟踪该目录项被引用的次数。当d_count变为0时，表示没有其他部分在使用这个目录项，可以考虑释放它。 */
    
    unsigned int d_flags;   /* 目录项标识：用于标记目录项的状态或特性，如是否为负目录项（即不存在的文件）等。 */
    
    spinlock_t d_lock;      /* 单目录项锁：一个自旋锁，用于保护对这个目录项进行并发访问时的数据一致性。 */
    
    int d_mounted;          /* 是否登录点的目录项：指示该目录项是否是一个挂载点。如果是，则值大于0，表示在其下有挂载的文件系统。 */
    
    struct inode *d_inode;  /* 相关联的索引节点：指向与该目录项相关的inode结构体。如果d_inode为NULL，表示这是一个负目录项。 */
    
    struct hlist_node d_hash;/* 散列表：用于将目录项链接到哈希表中，以便快速查找。 */
    
    struct dentry *d_parent;/* 父目录的目录项对象：指向上一级目录的目录项。根目录的d_parent指向自身。 */
    
    struct qstr d_name;     /* 目录项名称：包含目录项的名字及其长度和哈希值。 */
    
    struct list_head d_lru; /* 未使用的链表：当目录项不再被使用时，会被加入到LRU链表中，等待回收。 */
    
    /*
     * d_child and d_rcu can share memory
     */
    union {
        struct list_head d_child; /* child of parent list: 将当前目录项链接到父目录的子目录项链表中。 */
        struct rcu_head d_rcu;    /* RCU机制头：用于RCU(Read-Copy Update)机制的支持，保证删除过程中的读写安全。 */
    } d_u;
    
    struct list_head d_subdirs; /* 子目录链表：用于维护该目录下的所有子目录项，形成树状结构。 */
    
    struct list_head d_alias;   /* 索引节点别名链表：将所有具有相同inode的目录项链接在一起，因为多个路径可能指向同一个inode。 */
    
    unsigned long d_time;       /* 重置时间：记录了最近一次对该目录项执行某些操作的时间，比如更新其状态等。 */
    
    const struct dentry_operations *d_op; /* 目录项操作相关函数：指向一组函数，这些函数定义了如何操作目录项。 */
    
    struct super_block *d_sb;   /* 文件的超级块：指向该目录项所属文件系统的超级块结构。 */
    
    void *d_fsdata;              /* 文件系统特有数据：提供给具体文件系统使用，可用于存储特定于该文件系统的额外信息。 */
    
    unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* 短文件名：内联存储的短文件名，用于加速访问。如果文件名较长，则不会使用此字段。 */
};

dentry有两个特殊的成员变量d_lru和d_hash。这其实关联于两张dentry cache表，顾名思义，该表保存的是一系列已分配过的dentry的缓存池，用于文件操作中快速的查找和使用。

LRU表

作用：LRU（Least Recently Used）表是一个链表，用于管理最近最少使用的dentry对象。当系统需要回收内存时，会优先从LRU表中选择最久未使用的dentry进行释放。
操作：当一个dentry的引用计数变为0时，它会被加入到LRU表中。

散列表

作用：hash散列表用于快速查找dentry对象。每个dentry根据其名称和父目录计算出一个哈希值，并插入到相应的散列桶中。
操作：当需要查找一个文件或目录时，系统会根据路径名计算哈希值，并在散列表中查找对应的dentry。

这两个列表之间会产生复杂的关系：

引用为 0：一个在散列表中的 dentry 变成没有人引用了，就会被加到 LRU 表中去；
再次被引用：如果一个之前未被使用的dentry再次被引用，其引用计数会增加，并从LRU表中移除，表示它又变成了一个活跃的dentry；
分配：当 dentry 在散列表中没有找到，则从 Slub 分配器中分配一个；
过期归还：当 LRU 表中最长时间没有使用的 dentry 应该释放回 Slub 分配器；
文件删除：如果该dentry的引用计数为0，则可以直接从缓存中移除；否则，需要等待所有引用被释放后再进行处理。文件被删除了，相应的 dentry 应该释放回 Slub 分配器；
结构复用：为了提高效率，Linux内核会尽量复用已经存在的dentry结构体，而不是每次都创建新的实例。当一个dentry的引用计数变为0时，它会被标记为可复用，并在下次需要时重新初始化。

/* 目录项相关操作函数 */
struct dentry_operations {
    /* 该函数判断目录项对象是否有效。VFS准备从dcache中使用一个目录项时会调用这个函数 */
    int (*d_revalidate)(struct dentry *, struct nameidata *);
    /* 为目录项对象生成hash值 */
    int (*d_hash) (struct dentry *, struct qstr *);
    /* 比较 qstr 类型的2个文件名 */
    int (*d_compare) (struct dentry *, struct qstr *, struct qstr *);
    /* 当目录项对象的 d_count 为0时，VFS调用这个函数 */
    int (*d_delete)(struct dentry *);
    /* 当目录项对象将要被释放时，VFS调用该函数 */
    void (*d_release)(struct dentry *);
    /* 当目录项对象丢失其索引节点时（也就是磁盘索引节点被删除了），VFS会调用该函数 */
    void (*d_iput)(struct dentry *, struct inode *);
    char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
};

2.4 文件对象·-file

在Linux内核中，文件对象（file结构体）是用于表示一个打开的文件实例的核心数据结构。每当用户空间的应用程序通过系统调用（如open()）打开一个文件时，内核会创建一个file结构体对象来跟踪该文件的所有相关信息。

file的相关属性结构

struct file {
    union {
        struct llist_node fu_llist; // 用于链表操作，支持轻量级锁机制
        struct rcu_head fu_rcuhead; // RCU（Read-Copy Update）机制头，用于安全删除
    } f_u;

    struct path f_path;           /* 文件路径信息，包括挂载点和目录项 */
    struct inode *f_inode;        /* 指向与该文件关联的inode结构体 */
    const struct file_operations *f_op; /* 文件操作函数指针，定义了对该文件可以执行的操作 */

    spinlock_t f_lock;            /* 自旋锁，用于保护对文件对象的并发访问 */
    
    atomic_long_t f_count;        /* 使用计数，表示当前有多少地方在使用这个文件对象 */
    
    unsigned int f_flags;         /* 打开文件时指定的标志位，如O_RDONLY, O_WRONLY等 */
    
    fmode_t f_mode;               /* 访问模式，指示文件是只读、只写或两者皆可 */
    
    loff_t f_pos;                 /* 当前文件指针位置，即下一次读写操作将从哪里开始 */
    
    struct fown_struct f_owner;   /* 用于实现信号发送机制，允许进程接收特定事件的通知 */
    
    struct cred *f_cred;          /* 凭证信息，包含打开文件时的安全凭证，如UID和GID */
    
    struct file_ra_state f_ra;    /* 读取提前（readahead）状态，有助于预读取文件内容以提高性能 */
    
    u64 f_version;                /* 版本号，每次修改都会增加，可用于检测文件对象的变化 */
    
    void *private_data;           /* 私有数据，通常由设备驱动程序使用，存储驱动需要的状态信息 */
    
    struct list_head f_ep_links;  /* epoll相关的链表，用于异步I/O通知 */
    
    struct address_space *f_mapping;/* 映射到的地址空间，用于管理文件映射到内存的情况 */
};

文件对象表示进程已打开的文件，从用户角度来看，我们在代码中操作的就是一个文件对象。
根据上述结构中的struct path f_path知道文件对象反过来指向一个目录项对象（根据struct dentry结构体知道目录项反过来指向一个索引节点）
其实只有目录项对象才表示一个已打开的实际文件，虽然一个文件对应的文件对象不是唯一的，但其对应的索引节点和目录项对象却是唯一的。

补充：

一个文件可以被多个进程以不同的方式打开，因此可能存在多个文件对象对应同一个实际文件。
尽管一个文件可能有多个文件对象（因为被多次打开），但它的目录项对象是唯一的，因为它代表了一个具体的文件名及其在文件系统树中的位置。
对于每一个实际的文件而言，无论它被多少次打开，其索引节点都是唯一的。这意味着即使有多个文件对象和目录项对象指向同一个文件，它们都将共享同一个索引节点。
目录项对象才表示一个已打开的实际文件。它不仅仅是一个文件的名称，而是包括了该文件在文件系统中的完整路径信息，并直接关联到具体的索引节点。因此，当提到“实际文件”的时候，我们实际上是指文件系统中某个具体位置上的那个文件，而这个位置是由目录项对象唯一确定的。即使有多个文件对象（由于多次打开同一个文件），它们都指
向同一个目录项对象，进而指向同一个索引节点