linux内核的文件描述

我们在进程中要怎样去描述一个文件呢？我们用目录项(dentry)和索引节点(inode)。它们的定义如下:

struct dentry {
struct inode *d_inode; /* Where the name belongs to - NULL is
struct dentry *d_parent; /* parent directory */
struct list_head d_child; /* child of parent list */
struct dentry_operations*d_op;
struct super_block*d_sb; /* The root of the dentry tree */
void *d_fsdata; /* fs-specific data */
unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* small names */
......
};
struct inode {
unsigned longi_ino;
atomic_ti_count;
umode_t i_mode;
unsigned inti_nlink;
uid_t i_uid;
gid_t i_gid;
dev_t i_rdev;
loff_t i_size;
struct timespeci_atime;
unsigned longi_blocks;
unsigned shorti_bytes;
unsigned char _sock;
12
struct inode_operations *i_op;
struct file_operations *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */
struct super_block *i_sb;
......
};

所谓"文件", 就是按一定的形式存储在介质上的信息，所以一个文件其实包含了两方面的信息，一是存储的数据本身，二是有关该文件的组织和管理的信息。在内存中, 每个文件都有一个dentry(目录项)和inode(索引节点)结构，dentry记录着文件名，上级目录等信息，正是它形成了我们所看到的树状结构；而有关该文件的组织和管理的信息主要存放inode里面，它记录着文件在存储介质上的位置与分布。同时dentry->d_inode指向相应的inode结构。dentry与inode是多对一的关系，因为有可能一个文件有好几个文件名(硬链接, hard link, 可以参考这个网页 http://www.ugrad.cs.ubc.ca/~cs219/CourseNotes/Unix/commands-links.html)。

所有的dentry用d_parent和d_child连接起来，就形成了我们熟悉的树状结构。

inode代表的是物理意义上的文件，通过inode可以得到一个数组，这个数组记录了文件内容的位置，如该文件位于硬盘的第3，8，10块，那么这个数组的内容就是3,8,10。其索引节点号inode->i_ino，在同一个文件系统中是唯一的，内核只要根据i_ino，就可以计算出它对应的inode在介质上的位置。就硬盘来说，根据i_ino就可以计算出它对应的inode属于哪个块(block)，从而找到相应的inode结构。但仅仅用inode还是无法描述出所有的文件系统，对于某一种特定的文件系统而言，比如ext3，在内存中用ext3_inode_info描述。他是一个包含inode的"容器"。

struct ext3_inode_info {
__le32 i_data[15];
......
struct inode vfs_inode;
};

le32 i data[15]这个数组就是上一段中所提到的那个数组。

注意，在遥远的2.4的古代，不同文件系统索引节点的内存映像(ext3_inode_info，reiserfs_inode_info，msdos_inode_info ...)都是用一个union内嵌在inode数据结构中的. 但inode作为一种非常基本的数据结构而言，这样搞太大了，不利于快速的分配和回收。但是后来发明了container_of(...)这种方法后，就把union移到了外部，我们可以用类似container of(inode, struct ext3_inode_info, vfs_inode)，从inode出发，得到其的"容器"。

dentry和inode终究都是在内存中的，它们的原始信息必须要有一个载体。否则断电之后岂不是玩完了？且听我慢慢道来。

文件可以分为磁盘文件，设备文件，和特殊文件三种。设备文件暂且不表。

磁盘文件
就磁盘文件而言，dentry和inode的载体在存储介质(磁盘)上。对于像ext3这样的磁盘文件来说，存储介质中的目录项和索引节点载体如下，
struct ext3_inode {
__le16 i_mode; /* File mode */
__le16 i_uid; /* Low 16 bits of Owner Uid */
__le32 i_size; /* Size in bytes */
__le32 i_atime; /* Access time */
__le32 i_ctime; /* Creation time */
__le32 i_mtime; /* Modification time */

__le32 i_dtime; /* Deletion Time */
__le16 i_gid; /* Low 16 bits of Group Id */
__le16 i_links_count; /* Links count */
......
__le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
......
}
struct ext3_dir_entry_2 {
__u32 inode; /* Inode number */
__u16 rec_len; /* Directory entry length */
__u8 name_len; /* Name length */
__u8 file_type;
char name[EXT3_NAME_LEN]; /* File name */
};

le32 i block[EXT2 N BLOCKS];/* Pointers to blocks */
i_block数组指示了文件的内容所存放的地点(在硬盘上的位置)。

ext3_inode是放在索引节点区，而ext3_dir_entry_2是以文件内容的形式存放在数据区。我们只要知道了ino，由于ext3_inode大小已知，我们就可以计算出ext3_inode在索引节点区的位置( ino * sizeof(ext3_inode) )，而得到了ext3_inode，我们根据i_block就可以知道这个文件的数据存放的地点。将磁盘上ext3_inode的内容读入到ext3_inode_info中的函数是ext3_read_inode()。以一个有100 block的硬盘为例，一个文件系统的组织布局大致如下图。位图区中的每一位表示每一个相应的对象有没有被使用。

特殊文件
特殊文件在内存中有inode和dentry数据结构，但是不一定在存储介质上有"索引节点"，它断电之后的确就玩完了，所以不需要什么载体。当从一个特殊文件读时，所读出的数据是由系统内部按一定的规则临时生成的，或从内存中收集，加工出来的。sysfs里面就是典型的特殊文件。它存储的信息都是由系统动态的生成的，它动态的包含了整个机器的硬件资源情况。从sysfs读写就相当于向kobject层次结构提取数据。

还请注意, 我们谈到目录项和索引节点时，有两种含义。一种是在存储介质(硬盘)中的(如ext3_inode)，一种是在内存中的，后者是根据在前者生成的。内存中的表示就是dentry和inode，它是VFS中的一层，不管什么样的文件系统，最后在内存中描述它的都是dentry和inode结构。我们使用不同的文件系统，就是将它们各自的文件信息都抽象到dentry和inode中去。这样对于高层来说，我们就可以不关心底层的实现，我们使用的都是一系列标准的函数调用。这就是VFS的精髓，实际上就是面向对象。

我们在进程中打开一个文件F，实际上就是要在内存中建立F的dentry,和inode结构，并让它们与进程结构联系来，把VFS中定义的接口给接起来。我们来看一看这个经典的图。这张图之于文件系统，就像每天爱你多一些之于张学友，番茄炒蛋之于复旦南区食堂，刻骨铭心。