前言
本文大量代码基于linux 0.11，因为早期linux的版本更加适合初学者入门。虽然代码比较早，但是不妨碍我们学习Linux Storage的精髓。
一、hello world
1.1 Demo
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
printf("pid = %d\n", getpid());
int fd1,fd2;
char s[] = "hello world\n";
//打开文件，拿到fd
fd1 = open("/tmp/1.txt", O_RDWR | O_CREAT);
printf("fd1 = %d\n", fd1);
//写入
write(fd1, s, sizeof(s));
close(fd1);
fd2 = open("/tmp/2.txt", O_RDWR | O_CREAT);
printf("fd2 = %d\n", fd2);
//打开文件，拿到fd
fd1 = open("/tmp/1.txt", O_RDWR);
printf("fd1 = %d\n", fd1);
char buffer[80];
//读取
read(fd1, buffer, sizeof(buffer));
//关闭fd
printf("%s", buffer);
getchar();//暂停程序
close(fd1);
close(fd2);
return 0;
}
运行结果
pid = 14378
fd1 = 3
fd2 = 3
fd1 = 4
hello world
1.1 fd只是一个数字，代表数字和文件之前的一个映射关系
查看/proc/14378/fd，可以看到映射关系
dr-x------ 2 wangbinhong tctnb 0 3月 14 16:27 .
dr-xr-xr-x 9 wangbinhong tctnb 0 3月 14 16:26 ..
lrwx------ 1 wangbinhong tctnb 64 3月 14 16:27 0 -> /dev/pts/19 //stdin
lrwx------ 1 wangbinhong tctnb 64 3月 14 16:27 1 -> /dev/pts/19 //stdout
lrwx------ 1 wangbinhong tctnb 64 3月 14 16:27 2 -> /dev/pts/19 //stderr
lrwx------ 1 wangbinhong tctnb 64 3月 14 16:27 3 -> /tmp/2.txt
lrwx------ 1 wangbinhong tctnb 64 3月 14 16:27 4 -> /tmp/1.txt
程序中的4是数字，/proc/14378/fd/4是一个文件，链接到/tmp/1.txt，/proc/14378/fd/4只存在内存中，不存在硬盘中，程序中的数字4不是指向/proc/14378/fd/4文件
二、数字fd代表什么
2.1 task_struct
每一个进程在内核中的有一个task_struct的结构体，结构体中有一个file指针数组filp，fd代表filp这个数组的index，fd = 4指向当前进程的task_struct结构体中filp[4]指向的file结构体
struct task_struct {
...
struct file * filp[NR_OPEN];
...
}
2.2 file
struct file {
unsigned short f_mode;//文件的类型和属性
unsigned short f_flags;//文件打开的标志
unsigned short f_count;//关联的fd的个数
struct m_inode * f_inode;//file的真实实现
off_t f_pos;//文件当前的读写指针，读到哪里了。
}
2.3 file_table
内核中还有一个全局的file_table，是file数组，保存所有file结构体。
struct file file_table[NR_FILE];//系统级的一个file table
2.4 关联关系
两个细节
dup：同进程两个fd指向同一个file
fork：两个进程的两个fd指向同一个file
Linux 0.11
Linux 4.19
2.5 Binder传输fd
Binder传输fd，两个进程的不同fd指向了同一个file，享有相同的file offset和file status flag.
举例：
进程A的fd是3，通过Binder通信传递给进程B，进程B拿到了fd是4，
这两个fd同时指向同一个file结构体，这个file结构体又指向一个m_inode(1.txt),1.txt文件存储"helloworld"字符
进程A先读5个字符，读到hello
进程B再读5个字符，会读到world，而不是hello
三、以pipe为例：一切皆文件
我的早期错误想法
硬件驱动通过设备文件和用户空间的应用程序通信，将驱动的信息写进设备文件，然后应用程序读取设备文件的内容。
3.1 pipe初始化
pipe的原理图
3.1.1 sys_pipe
用户空间调用pipe的系统调用，会返回两个fd给用户空间
long pipe[2];
long * files = pipe;
pipe(files);
系统调用的pipe实现
int sys_pipe(unsigned long * fildes)//系统调用生成一对pipe
{
struct m_inode * inode;
struct file * f[2];
int fd[2];
int i,j;
//寻找两个空闲的file结构体
j=0;
for(i=0;j<2 && i<NR_FILE;i++)
if (!file_table[i].f_count)//找到空闲的file
(f[j++]=i+file_table)->f_count++;//将空闲的file的f_count+1,并保存这两个file结构体
if (j==1)//只找到一个
f[0]->f_count=0;//将第一file重置，清空
if (j<2)
return -1;//没找到一队，反正就是失败
//当前进程中找到两个空闲的index
j=0;
for(i=0;j<2 && i<NR_OPEN;i++)//将两个file的指针分别保存到current->filp[i]的空闲处
if (!current->filp[i]) {
current->filp[ fd[j]=i ] = f[j];
j++;
}
if (j==1)
current->filp[fd[0]]=NULL;
if (j<2) {
f[0]->f_count=f[1]->f_count=0;
return -1;
}//和上面逻辑类似
if (!(inode=get_pipe_inode())) {//详见3.1.2 获得一个pipe inode
current->filp[fd[0]] =
current->filp[fd[1]] = NULL;
f[0]->f_count = f[1]->f_count = 0;
return -1;
}
f[0]->f_inode = f[1]->f_inode = inode;//让两个file结构体的f_inode指向pipe inode
f[0]->f_pos = f[1]->f_pos = 0;//重置读写指针
f[0]->f_mode = 1; /* read */
f[1]->f_mode = 2; /* write */
put_fs_long(fd[0],0+fildes);//将fd0数值返回给用户空间
put_fs_long(fd[1],1+fildes);//将fd1数值返回给用户空间
return 0;
}
3.1.2 get_pipe_inode
创建一个m_inode结构体
将m_inode的i_size指向一块4096B的缓冲区
设置m_inode的i_pipe为1，标识这个m_inode为pipe inode
struct m_inode * get_pipe_inode(void)//返回一个空的pipe inode用于pipe
{
struct m_inode * inode;
if (!(inode = get_empty_inode()))
return NULL;
if (!(inode->i_size=get_free_page())) {//申请一个物理页4096B作为环形管道缓冲区，缓冲区指针保存到i_size。
inode->i_count = 0;
return NULL;
}
inode->i_count = 2; /* sum of readers/writers */
PIPE_HEAD(*inode) = PIPE_TAIL(*inode) = 0;
inode->i_pipe = 1;//表示为pipe的m_inode
return inode;
}
3.1.3 get_free_page
申请一个内存页，作为共享缓冲区，并返回内存的地址
unsigned long get_free_page(void)
{
register unsigned long __res asm("ax");
__asm__("std ; repne ; scasb\n\t"
"jne 1f\n\t"
"movb $1,1(%%edi)\n\t"
"sall $12,%%ecx\n\t"
"addl %2,%%ecx\n\t"
"movl %%ecx,%%edx\n\t"
"movl $1024,%%ecx\n\t"
"leal 4092(%%edx),%%edi\n\t"
"rep ; stosl\n\t"
"movl %%edx,%%eax\n"
"1:"
:"=a" (__res)
:"0" (0),"i" (LOW_MEM),"c" (PAGING_PAGES),
"D" (mem_map+PAGING_PAGES-1)
:"di","cx","dx");
return __res;
}
3.2 读pipe
3.2.1 sys_read
根据inode->i_pip，将sys_read变成read_pipe。
int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count)//文件读的系统调用,fd->file->inode->数据块
{
struct file * file;
struct m_inode * inode;
if (fd>=NR_OPEN || count<0 || !(file=current->filp[fd]))
return -EINVAL;
if (!count)
return 0;
verify_area(buf,count);
inode = file->f_inode;
if (inode->i_pipe)//pipe
return (file->f_mode&1)?read_pipe(inode,buf,count):-EIO;//3.2.2
if (S_ISCHR(inode->i_mode))//字符设备
return rw_char(READ,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos);
if (S_ISBLK(inode->i_mode))//块设备
return block_read(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);
if (S_ISDIR(inode->i_mode) || S_ISREG(inode->i_mode)) {//常规文件或目录
if (count+file->f_pos > inode->i_size)
count = inode->i_size - file->f_pos;
if (count<=0)
return 0;
return file_read(inode,file,buf,count);
}
printk("(Read)inode->i_mode=%06o\n\r",inode->i_mode);
return -EINVAL;
}
3.2.2 read_pipe
将缓冲区的数据读到用户空间char，读count字节
int read_pipe(struct m_inode * inode, char * buf, int count)//读取pipe
{
int chars, size, read = 0;
while (count>0) {
while (!(size=PIPE_SIZE(*inode))) {//如果发现没有内容
wake_up(&inode->i_wait);//唤醒写端
if (inode->i_count != 2) /* are there any writers? *///没有写端
return read;
sleep_on(&inode->i_wait);//没有内容就睡眠
}
chars = PAGE_SIZE-PIPE_TAIL(*inode);//判断尾部的数据
if (chars > count)
chars = count;
if (chars > size)
chars = size;
count -= chars;
read += chars;
size = PIPE_TAIL(*inode);//头部开始读的指针
PIPE_TAIL(*inode) += chars;
PIPE_TAIL(*inode) &= (PAGE_SIZE-1);
while (chars-->0)
put_fs_byte(((char *)inode->i_size)[size++],buf++);
}
wake_up(&inode->i_wait);
return read;
}
3.3 写pipe
3.3.1 sys_write
根据inode->i_pip，将sys_write变成write_pipe。
int sys_write(unsigned int fd,char * buf,int count)//文件写的系统调用,fd->file->inode->数据块
{
struct file * file;
struct m_inode * inode;
if (fd>=NR_OPEN || count <0 || !(file=current->filp[fd]))
return -EINVAL;
if (!count)
return 0;
inode=file->f_inode;
if (inode->i_pipe)
return (file->f_mode&2)?write_pipe(inode,buf,count):-EIO;//3.3.2
if (S_ISCHR(inode->i_mode))
return rw_char(WRITE,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos);
if (S_ISBLK(inode->i_mode))
return block_write(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);
if (S_ISREG(inode->i_mode))
return file_write(inode,file,buf,count);
printk("(Write)inode->i_mode=%06o\n\r",inode->i_mode);
return -EINVAL;
}
3.3.2 write_pipe
将用户空间char对应的数据写到缓冲区，写入count字节
int write_pipe(struct m_inode * inode, char * buf, int count)//写pipe的实现
{
int chars, size, written = 0;
while (count>0) {
while (!(size=(PAGE_SIZE-1)-PIPE_SIZE(*inode))) {//如果写满了，size为0
wake_up(&inode->i_wait);//唤醒读端
if (inode->i_count != 2) { /* no readers *///没有读者直接返回
current->signal |= (1<<(SIGPIPE-1));
return written?written:-1;
}
sleep_on(&inode->i_wait);//写端休眠
}
chars = PAGE_SIZE-PIPE_HEAD(*inode);//计算管道头部到缓冲区末端的空闲字节数 4098
if (chars > count)
chars = count;
if (chars > size)
chars = size;
count -= chars;
written += chars;
size = PIPE_HEAD(*inode);//当前的头指正
PIPE_HEAD(*inode) += chars;
PIPE_HEAD(*inode) &= (PAGE_SIZE-1);
while (chars-->0)
((char *)inode->i_size)[size++]=get_fs_byte(buf++);//一个写字符到管道
}
wake_up(&inode->i_wait);//写完唤醒读端
return written;
}
3.4 pipe读写指针
其实pipe的读写指针并没有保存在file结构体，而是保存在m_inode。
如果缓冲区满了，读端一直不读，会导致写端的进程sleep。
整个读写的过程并没有通过锁来控制，而是通过ringbuffer来实现，有兴趣的可以自己研究。
struct m_inode {
...
unsigned long i_size;//被作为指针指向申请的缓冲区，一个缓冲区4096B
unsigned short i_zone[9];//用i_zone[0]代表写的游标，用i_zone[1]代表写的游标
...
}
3.5 思考一个问题
父进程创建一对pipe的fd1 fd2
子进程通过fork复制父进程的pipe fd1 fd2
父进程关闭读的fd2
子进程关闭写的fd1
父子进程就可以通过pipe进行跨进程通信
3.6 Linux的改进
文件系统的引入会导致if else越来越多，用file_operations结构体代替大量if else
file中f_op保存read write的函数指针
struct file {
const struct file_operations *f_op;
void *private_data;//这个很重要
}
struct file_operations {
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
};
我觉得这样子理解更加合适：一切皆文件接口
四、普通文件
4.1重要数据结构
4.1.1 m_inode
在前面的pipe例子中m_inode并没有指向任何的实体文件，我们接下来讨论实体文件的m_inode
i_dev：代表块设备号（在那个磁盘上）
i_zone[9]：代表数据块号（代表文件的数据区域在磁盘的第几个数据块）
一个数据块是1KB=1024B
struct m_inode {
unsigned short i_mode;//15-12文件类型，11-9保存执行文件设置，8-0保存文件权限
unsigned short i_uid;//文件宿主的用户id
unsigned long i_size;//文件长度
unsigned long i_mtime;//修改时间
unsigned char i_gid;//文件宿主的组id
unsigned char i_nlinks;//硬链接的次数
unsigned short i_zone[9];//对应数据块 0-6直接是块号，7一次间接块，8二次间接块，一个块是1KB=1024Byte
//因为块号用short来表示，也就是2Byte，所以一个块可以存放512个块号，所以一次块512个，二次块就是512*512。
//所以变相的可以算出一个文件的最大size是7+512+512*512 kb
//一般逻辑块的大小会和buffer_head大小一样。
/* these are in memory also */
struct task_struct * i_wait;
unsigned long i_atime;
unsigned long i_ctime;
unsigned short i_dev;//设备号
unsigned short i_num;
unsigned short i_count;
unsigned char i_lock;
unsigned char i_dirt;
unsigned char i_pipe;
unsigned char i_mount;
unsigned char i_seek;
unsigned char i_update;
};
4.1.2 buffer_head
buffer_head是内存和磁盘的一次数据块交互的载体
b_dev设备号
b_blocknr数据块号
b_data指向一块1024B内存的首地址
所有buffer_head会被存放在一个hash表中，按照设备名，块号，方便重复使用
struct buffer_head {
char * b_data; /* pointer to data block (1024 bytes) */
unsigned long b_blocknr; /* block number */ //块号
unsigned short b_dev; /* device (0 = free) */ //设备号
unsigned char b_uptodate;
unsigned char b_dirt; /* 0-clean,1-dirty */
unsigned char b_count; /* users using this block */
unsigned char b_lock; /* 0 - ok, 1 -locked */
struct task_struct * b_wait;
struct buffer_head * b_prev;
struct buffer_head * b_next;
struct buffer_head * b_prev_free;
struct buffer_head * b_next_free;
};
可以调用下面两个接口，完成数据块的读写，这背后的实现就要看块设备驱动怎么实现的。
先记住，buffer_head（设备号+块号+内存地址）+读写指令 可以完成一次信息的交换。
ll_rw_block(READ,bh);
ll_rw_block(WRITE,bh);
4.2 读文件
4.2.1 file_read
根据(filp->f_pos)/BLOCK_SIZE计算对应的起始块号nr
根据inode->i_dev和nr调用bread获得buffer_head
调用ll_rw_block(READ,bh)请求数据块的数据
将buffer_head中b_data拷贝到用户空间的buf
int file_read(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count)
{
int left,chars,nr;
struct buffer_head * bh;
if ((left=count)<=0)
return 0;
while (left) {
if (nr = bmap(inode,(filp->f_pos)/BLOCK_SIZE)) {
if (!(bh=bread(inode->i_dev,nr)))//4.2.2
break;
} else
bh = NULL;
nr = filp->f_pos % BLOCK_SIZE;
chars = MIN( BLOCK_SIZE-nr , left );
filp->f_pos += chars;
left -= chars;
if (bh) {
char * p = nr + bh->b_data;
while (chars-->0)
put_fs_byte(*(p++),buf++);
brelse(bh);
} else {
while (chars-->0)
put_fs_byte(0,buf++);
}
}
inode->i_atime = CURRENT_TIME;
return (count-left)?(count-left):-ERROR;
}
4.2.2 bread
根据设备号，数据块号，获得一个buffer_head
/*
* bread() reads a specified block and returns the buffer that contains
* it. It returns NULL if the block was unreadable.
*/
struct buffer_head * bread(int dev,int block)//从dev，block获得buffer_head，一般用这个就可以
{
struct buffer_head * bh;
if (!(bh=getblk(dev,block)))//拿一块空闲的buffer_head
panic("bread: getblk returned NULL\n");
if (bh->b_uptodate)
return bh;
ll_rw_block(READ,bh);//将硬件的数据读取到buffer_head
wait_on_buffer(bh);
if (bh->b_uptodate)
return bh;
brelse(bh);//释放锁
return NULL;
}
4.3 写文件
4.3.1 file_write
根据(filp->f_pos)/BLOCK_SIZE计算对应的块号block，如果文件不够大，需要扩容。
根据inode->i_dev和block调用bread获得buffer_head
将用户空间的buf拷贝到buffer_head中b_data。
int file_write(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count)
{
off_t pos;
int block,c;
struct buffer_head * bh;
char * p;
int i=0;
/*
* ok, append may not work when many processes are writing at the same time
* but so what. That way leads to madness anyway.
*/
if (filp->f_flags & O_APPEND)
pos = inode->i_size;
else
pos = filp->f_pos;
while (i<count) {
if (!(block = create_block(inode,pos/BLOCK_SIZE)))//如果写文件的时候发现文件不够大，就要扩容
break;
if (!(bh=bread(inode->i_dev,block)))
break;
c = pos % BLOCK_SIZE;
p = c + bh->b_data;
bh->b_dirt = 1;
c = BLOCK_SIZE-c;
if (c > count-i) c = count-i;
pos += c;
if (pos > inode->i_size) {
inode->i_size = pos;
inode->i_dirt = 1;
}
i += c;
while (c-->0)
*(p++) = get_fs_byte(buf++);
brelse(bh);
}
inode->i_mtime = CURRENT_TIME;
if (!(filp->f_flags & O_APPEND)) {
filp->f_pos = pos;
inode->i_ctime = CURRENT_TIME;
}
return (i?i:-1);
}
4.3.2 sys_sync
写文件，并不会立刻写到磁盘，需要调用系统调用sync
ll_rw_block将buffer_head的脏数据同步到块设备
int sys_sync(void)//系统调用，同步块设备和内存高速缓存中数据
{
int i;
struct buffer_head * bh;
sync_inodes(); /* write out inodes into buffers *///将修改的inode数据写入到buffer_head.
bh = start_buffer;
for (i=0 ; i<NR_BUFFERS ; i++,bh++) {
wait_on_buffer(bh);
if (bh->b_dirt)
ll_rw_block(WRITE,bh);//真的写到块设备中
}
return 0;
}
五、块设备
5.1 内部结构
块设备中数据是按照1KB一个块分区
1KB=8K bits 可以指向8K个inode对象，可以指向8K个数据块，每一个数据块又是1KB。
这是块设备中存储的inode结构体
struct d_inode { //块设备中对应的inode的结构体
unsigned short i_mode;
unsigned short i_uid;
unsigned long i_size;
unsigned long i_time;
unsigned char i_gid;
unsigned char i_nlinks;
unsigned short i_zone[9];
};
struct dir_entry { //目录
unsigned short inode;//inode
char name[NAME_LEN];//inode对应的文件名
};
5.2 mount("dev/block/sda0"，"/sdcard")
第一步：从dev/block/sda0中读取第0块inode块上的数据，读取第一个d_inode的数据，并构建内存中的m_inode。
第二步：将m_inode的i_num和"sdcard"按照dir_entry的结构体存放在"/"目录对应m_inode指向的i_zone数据区域
5.3 int fd = open("/sdcard/1.txt")
第一步：找到m_inode（"sdcard"）
读取"/"对应的m_inode（"/"）的 i_zone[9]的数据到内存中
根据"sdcard"得到inode号，拿到"sdcard"对应的m_inode（"sdcard"），m_inode已经在mount中创建。
第二步：创建m_inode（"1.txt"）
读取m_inode（"sdcard"）的 i_zone[9]的数据到内存中
根据"1.txt"，拿到1.txt文件对应的d_inode的号
计算d_inode号找到对应的d_inode结构体存放在块设备的块号，块号=inode/一个块最多存放的d_inode结构体
读取的块号对应数据到内存中，读取对应的d_inode数据，构建m_inode（"sdcard"）
第三步：将fd指向file指向m_inode
创建file指向m_inode（"1.txt"）
file[fd]指向file
返回fd
从此形成fd->file->m_inode的对应关系，write read close 都可以对应的转化成file的操作，对应的m_inode的操作
六、目前Linux的架构
构建了一个VFS层，虚拟文件系统，各类文件系统可以更好的兼容，EXT4，F2FS
文件系统和块设备的数据交互，用BIO代替了buffer_head
因为如果操作一大块数据的IO，需要拆分成很多个buffer_head数据结构体，资源浪费
新增了Block Layer层对BIO进行合并调度
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