基础IO打开关闭(open.c)

#操作系统 #Linux系统原理 #Linux内核开发

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本笔记主要针对 linux/fs/open.c 中的系统调用进行分析。

3 系统调用及其分析

3.1 open

open 系统调用的基本处理流程如下：

  1. 检测大文件支持；对于内核架构：
    1. 32位的内核需要检测在编译时是否将 off_t 配置为32位：
      1. 如果被配置为32位，即 CONFIG_ARCH_32BIT_OFF_T 被启用，则 off_t 最多支持2GB的偏移量。若用户态程序想要读取大文件，则用户态需要显式定义 _FILE_OFFSET_BITS=64 或使用 O_LARGEFILE 标志来启用64位的off_t 。
      2. 如果未被配置为32位，即 CONFIG_ARCH_32BIT_OFF_T 未启用，则默认开启大文件模式。
    2. 64位的内核通常无须配置该项，原生支持64位的 off_t ，默认开启大文件模式。
  2. 调用返回 long do_sys_open(int dfd, const char __user *filename, int flags, umode_t mode) ：
    1. 调用 build_open_how 将用户态的 umode_t 转化为内核态的 open_how 结构体，同时过滤掉非法标志位或模式位。在该结构体中：
      1. 成员 __u64 flags ：表示用户态使用 open 时指定的行为，例如读写、文件创建、文件追加等。
      2. 成员 __u64 mode ：当需要创建文件时，文件的权限。不需要创建文件时该成员值为0。
      3. 成员 __u64 resolve ：指定用于路径解析的方式，例如禁止解析符号链接、避免跨越设备边界进行路径解析等。
    2. 调用返回 static long do_sys_openat2(int dfd, const char __user *filename, struct open_how *how) ：
      1. 调用 build_open_flags 将 open_how 转换为 flags ，同时进行大量的文件行为标识符、文件权限以及路径解析的方式的参数检查，如果失败则返回对应错误码。成功时返回0。
      2. 调用 getname 获取文件名，如果失败则返回对应错误码。
      3. 调用 get_unused_fd_flags 获取一个未使用的文件标识符。
      4. 当 fd 大于0时，调用 struct file *do_filp_open(int dfd, struct filename *pathname, const struct open_flags *op) 打开文件：
        1. 调用 set_nameidata
        2. 调用 struct file *path_openat(struct nameidata *nd, const struct open_flags *op, unsigned flags) 打开文件：
          1. 调用 alloc_empty_file 创建一个空的文件对象( struct file )。
          2. 根据标识符选择打开临时文件、普通文件、创建文件夹等行为。
          3. 调用 fput 减少对文件对象的引用。
        3. 处理特殊错误。
        4. 调用 restore_nameidata
        5. 返回 struct file 对象。
      5. 当 do_filp_open 执行成功时，返回内核文件对象 struct file ，并调用 fd_install 向 fd_table 中添加一个 fd 及其对应的 file 对象。
      6. 当 do_filp_open 发生错误时，调用 put_unused_fd 归还未使用的 fd ，并用 fd 存放错误信息
      7. 返回第5或6步的 fd 。

3.2 close

close 系统调用的基本处理流程如下：

  1. 调用 struct file *file_close_fd(unsigned int fd); ，从 fdt ( fd_table )中寻找 fd 对应的 file 结构体指针。
  2. 调用 filp_flush 刷新文件缓冲区。
    1. 检查文件计数器是否已经为0，如果发现已经为0，则输出错误信息，并可选地使用 BUG() 停止系统。
    2. 当设置了 f_op->flush 时调用 f_op->flush 。
    3. 检查文件是否为路径，如果是则：
      1. 调用 dnotify_flush 处理目录通知。
      2. 调用 locks_remove_posix 移除该文件的POSIX锁。
  3. 调用 void __fput_sync(); 减少文件的引用计数器(下面全都在干这个)，并当最后一个引用被释放时：
    1. 原子地减少引用计数。
    2. 当计数器为0时，调用 void __fput(struct file *file) 释放文件的最后一个引用：
      1. 检查该文件是否已经被成功打开，如果未被成功打开则直接释放 struct file 结构体。
      2. 执行 might_sleep 标注，该标注在release模式下无效，在调试模式下可以在原子上下文中捕获该标注，并打印堆栈等信息。
      3. 调用 fsnotify_close 向监听者触发文件关闭事件。
      4. 调用 eventpoll_release 回收与 epoll 相关的资源。
      5. 调用 locks_remove_file 释放与该文件相关的所有锁。
      6. 调用 security_file_release ，该函数是Linux安全模块的钩子函数，允许安全模块对该事件的监听。
      7. 在文件开启了异步通知，并且驱动程序定义了 f_op->fasync 时，调用 f_op->fasync 将该文件从驱动程序的通知队列中移除。
      8. 当驱动程序定义了 f_op->release 时，调用 f_op->release 释放文件。
      9. 使用宏 S_ISCHR 检查 inode 是否是一个字符设备，如果满足如下若干条件则减少对字符设备的引用计数：
        1. 是一个字符设备。
        2. 该文件模式未设置为目录模式。
      10. 调用 void module_put(struct module *module) 减少对该文件的内核模块的引用计数。
      11. 调用 void put_pid(struct pid *pid) 减少对该PID结构体的引用计数。
      12. 调用 void put_file_access(struct file *file) 减少对该文件的读取和写入计数器。
      13. 调用 dput 减少对该文件的目录项结构体( struct dentry )的引用。
      14. 检测该文件是否设置了 FMODE_NEED_UNMOUNT (是否需要取消挂载该挂载实例)，如果设置了则调用 dissolve_on_fput 取消挂载。
      15. 调用 mntput 减少对文件系统挂载实例( struct vfsmount )的引用。
      16. 调用 file_free 释放 struct file 结构体。
  4. 检测 filp_flush 的特定错误。
  5. 返回 filp_flush 的返回值。

需要注意的是：

  1. 在Linux的相当多资源管理中，通常都不会直接立即释放某一资源。基本上都是通过引用计数器来释放，这样可以保证已经开始执行的操作正常的完成。