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在文件系统中,有三大缓冲为了提升效率:inode缓冲区、dentry缓冲区、块缓冲。
(内核:2.4.37)
一、inode缓冲区
为了加快对索引节点的索引,引入inode缓冲区,下面我们看Linux/fs/inode.c代码。
1、一些数据结构:
之前已经说过,有多个链表用于管理inode节点:
59 static LIST_HEAD(inode_in_use); 60 static LIST_HEAD(inode_unused); 61 static LIST_HEAD(inode_unused_pagecache); 62 static struct list_head *inode_hashtable; 63 static LIST_HEAD(anon_hash_chain); /* for inodes with NULL i_sb */
inode_in_use:正在使用的inode,即有效的inode,i_count > 0且i_nlink > 0。 inode_unused:有效的节点,但是还没有使用,处于空闲状态。(数据不在pagecache中)。
inode_unused_pagecache:同上。(数据在pagecache中)。
inode_hashtable:用于inode在hash表中,提高查找效率。
anon_hash_chain:用于超级块是空的的inodes。例如:sock_alloc()函数, 通过调用fs/inode.c中get_empty_inode()创建的套接字是一个匿名索引节点,这个节点就加入到了anon_hash_chain链表。
dirty:用于保存超级块中的所有的已经修改的inodes。
76 struct inodes_stat_t inodes_stat; 77 78 static kmem_cache_t * inode_cachep;
上面的两个字段: inodes_stat:记录inodes节点的状态。
inode_cachep:对inodes对象的缓存块。
2、基本初始化:初始化inode哈希表头和slab内存缓存块
索引节点高速缓存的初始化是由inode_init()实现的,现在看看下面代码:
1296 /*1297 * Initialize the hash tables.1298 */1299 void __init inode_init(unsigned long mempages) /* 参数:表示inode缓存使用的物理页面数 */1300 {1301 struct list_head *head;1302 unsigned long order;1303 unsigned int nr_hash;1304 int i;1305 /* 下面的一段操作就是根据PAGE_SHIFT,PAGE_SIZE给hash表分配空间 */1306 mempages >>= (14 - PAGE_SHIFT);1307 mempages *= sizeof(struct list_head);1308 for (order = 0; ((1UL << order) << PAGE_SHIFT) < mempages; order++)1309 ;1310 1311 do {1312 unsigned long tmp;1313 1314 nr_hash = (1UL << order) * PAGE_SIZE /1315 sizeof(struct list_head);1316 i_hash_mask = (nr_hash - 1);1317 1318 tmp = nr_hash;1319 i_hash_shift = 0;1320 while ((tmp >>= 1UL) != 0UL)1321 i_hash_shift++;1322 /* inode_hashtable是一个全局变量,用于hash表,上面说过,需要预定order页的内存作为inode-hash表使用 */1323 inode_hashtable = (struct list_head *)1324 __get_free_pages(GFP_ATOMIC, order);1325 } while (inode_hashtable == NULL && --order >= 0);1326 1327 printk(KERN_INFO "Inode cache hash table entries: %d (order: %ld, %ld bytes)\n",1328 nr_hash, order, (PAGE_SIZE << order));1329 /* 如果分配不成功就失败 */1330 if (!inode_hashtable)1331 panic("Failed to allocate inode hash table\n");1332 /* 下面就是初始化每个inde-hash节点 */1333 head = inode_hashtable;1334 i = nr_hash;1335 do {1336 INIT_LIST_HEAD(head);1337 head++;1338 i--;1339 } while (i);1340 1341 /* inode slab cache:创建一个inode的slab缓存,以后的inode缓存都从这个slab中进行分配 */1342 inode_cachep = kmem_cache_create("inode_cache", sizeof(struct inode),1343 0, SLAB_HWCACHE_ALIGN, init_once,1344 NULL);1345 if (!inode_cachep)1346 panic("cannot create inode slab cache");1347 1348 unused_inodes_flush_task.routine = try_to_sync_unused_inodes;1349 }1350
注意上面的逻辑,说明两个问题:
1). 第一初始化inode_hashtable作为链表的头。
2). 初始化inode的slab缓存,也就是说,如果我需要分配一个inode缓存在内存中,那么都从这个inode_cachep中分配一个inode内存节点。然后统一加入到这个inode_hashtable中进行管理!也就是所谓的创建inode slab分配器缓存。
下面看看具体的缓存的分配过程:
先看init_once函数:
169 static void init_once(void * foo, kmem_cache_t * cachep, unsigned long flags)170 {171 struct inode * inode = (struct inode *) foo;172 173 if ((flags & (SLAB_CTOR_VERIFY|SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR)) ==174 SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR)175 inode_init_once(inode);176 }
注意:在上面的kmem_cache_create函数中,执行的顺序是: ---> kmem_cache_create(里面重要的一步是cachep->ctor = ctor; cachep->dtor = dtor;)
---> kmem_cache_alloc
---> __kmem_cache_alloc
---> kmem_cache_grow(里面一个重要设置是:ctor_flags = SLAB_CTOR_CONSTRUCTOR;)
---> kmem_cache_init_objs:里面会执行cachep->ctor(objp, cachep, ctor_flags);
这样最终就跳转到上面的init_once函数中了!在init函数中执行的是inode_init_once函数:
141 /*142 * These are initializations that only need to be done143 * once, because the fields are idempotent across use144 * of the inode, so let the slab aware of that.145 */146 void inode_init_once(struct inode *inode)147 {148 memset(inode, 0, sizeof(*inode));149 __inode_init_once(inode);150 }
再看__inode_init_once函数:
152 void __inode_init_once(struct inode *inode)153 {154 init_waitqueue_head(&inode->i_wait);155 INIT_LIST_HEAD(&inode->i_hash);156 INIT_LIST_HEAD(&inode->i_data.clean_pages);157 INIT_LIST_HEAD(&inode->i_data.dirty_pages);158 INIT_LIST_HEAD(&inode->i_data.locked_pages);159 INIT_LIST_HEAD(&inode->i_dentry);160 INIT_LIST_HEAD(&inode->i_dirty_buffers);161 INIT_LIST_HEAD(&inode->i_dirty_data_buffers);162 INIT_LIST_HEAD(&inode->i_devices);163 sema_init(&inode->i_sem, 1);164 sema_init(&inode->i_zombie, 1);165 init_rwsem(&inode->i_alloc_sem);166 spin_lock_init(&inode->i_data.i_shared_lock);167 }
3、注意知道现在我们主要说了上面的两个基本的问题(红字部分),但是这只是一个框架而已,对于具体的一个文件系统来说怎么个流程,下面需要看看!
我们以最常见的ext2作为说明:
现在一个ext2类型的文件系统想要创建一个inode,那么执行:ext2_new_inode函数
314 struct inode * ext2_new_inode (const struct inode * dir, int mode)315 {316 struct super_block * sb;317 struct buffer_head * bh;318 struct buffer_head * bh2;319 int group, i;320 ino_t ino;321 struct inode * inode;322 struct ext2_group_desc * desc;323 struct ext2_super_block * es;324 int err;325 326 sb = dir->i_sb;327 inode = new_inode(sb); /* 创建一个inode节点,这个函数就是在fs/inode.c中的new_inode函数 */328 if (!inode)329 return ERR_PTR(-ENOMEM);330 331 lock_super (sb);332 es = sb->u.ext2_sb.s_es;333 repeat:334 if (S_ISDIR(mode))335 group = find_group_dir(sb, dir->u.ext2_i.i_block_group);336 else 337 group = find_group_other(sb, dir->u.ext2_i.i_block_group);338 339 err = -ENOSPC;340 if (group == -1)341 goto fail;342 343 err = -EIO;344 bh = load_inode_bitmap (sb, group);345 if (IS_ERR(bh))346 goto fail2;347 348 i = ext2_find_first_zero_bit ((unsigned long *) bh->b_data,349 EXT2_INODES_PER_GROUP(sb));350 if (i >= EXT2_INODES_PER_GROUP(sb))351 goto bad_count;352 ext2_set_bit (i, bh->b_data);353 354 mark_buffer_dirty(bh);355 if (sb->s_flags & MS_SYNCHRONOUS) {356 ll_rw_block (WRITE, 1, &bh);357 wait_on_buffer (bh);358 }359 360 ino = group * EXT2_INODES_PER_GROUP(sb) + i + 1;361 if (ino < EXT2_FIRST_INO(sb) || ino > le32_to_cpu(es->s_inodes_count)) {362 ext2_error (sb, "ext2_new_inode",363 "reserved inode or inode > inodes count - "364 "block_group = %d,inode=%ld", group, ino);365 err = -EIO;366 goto fail2;367 }368 369 es->s_free_inodes_count =370 cpu_to_le32(le32_to_cpu(es->s_free_inodes_count) - 1);371 mark_buffer_dirty(sb->u.ext2_sb.s_sbh);372 sb->s_dirt = 1;373 inode->i_uid = current->fsuid;374 if (test_opt (sb, GRPID))375 inode->i_gid = dir->i_gid;376 else if (dir->i_mode & S_ISGID) {377 inode->i_gid = dir->i_gid;378 if (S_ISDIR(mode))379 mode |= S_ISGID;380 } else381 inode->i_gid = current->fsgid;382 inode->i_mode = mode;383 384 inode->i_ino = ino;385 inode->i_blksize = PAGE_SIZE; /* This is the optimal IO size (for stat), not the fs block size */386 inode->i_blocks = 0;387 inode->i_mtime = inode->i_atime = inode->i_ctime = CURRENT_TIME;388 inode->u.ext2_i.i_state = EXT2_STATE_NEW;389 inode->u.ext2_i.i_flags = dir->u.ext2_i.i_flags & ~EXT2_BTREE_FL;390 if (S_ISLNK(mode))391 inode->u.ext2_i.i_flags &= ~(EXT2_IMMUTABLE_FL|EXT2_APPEND_FL);392 inode->u.ext2_i.i_block_group = group;393 ext2_set_inode_flags(inode);394 insert_inode_hash(inode); /* 将这个新的inode内存节点挂在hashtable中,这个函数在fs/inode.c中的insert_inode_hash函数 */395 inode->i_generation = event++;396 mark_inode_dirty(inode);397 398 unlock_super (sb);399 if(DQUOT_ALLOC_INODE(inode)) {400 DQUOT_DROP(inode);401 inode->i_flags |= S_NOQUOTA;402 inode->i_nlink = 0;403 iput(inode);404 return ERR_PTR(-EDQUOT);405 }406 ext2_debug ("allocating inode %lu\n", inode->i_ino);407 return inode;408 409 fail2:410 desc = ext2_get_group_desc (sb, group, &bh2);411 desc->bg_free_inodes_count =412 cpu_to_le16(le16_to_cpu(desc->bg_free_inodes_count) + 1);413 if (S_ISDIR(mode))414 desc->bg_used_dirs_count =415 cpu_to_le16(le16_to_cpu(desc->bg_used_dirs_count) - 1);416 mark_buffer_dirty(bh2);417 fail:418 unlock_super(sb);419 make_bad_inode(inode);420 iput(inode);421 return ERR_PTR(err);422 423 bad_count:424 ext2_error (sb, "ext2_new_inode",425 "Free inodes count corrupted in group %d",426 group);427 /* Is it really ENOSPC? */428 err = -ENOSPC;429 if (sb->s_flags & MS_RDONLY)430 goto fail;431 432 desc = ext2_get_group_desc (sb, group, &bh2);433 desc->bg_free_inodes_count = 0;434 mark_buffer_dirty(bh2);435 goto repeat;436 }
这个函数比较复杂,但是我们主要看327行和394行,就是创建一个inode内存节点,然后将这个inode插入inode_hashtable中! 这个函数具体的解释不再看了,现在主要从这两个函数入手:
1). fs/inode.c中的new_inode函数,创建一个inode内存节点:
964 struct inode * new_inode(struct super_block *sb)965 {966 static unsigned long last_ino;967 struct inode * inode;968 969 spin_lock_prefetch(&inode_lock);970 971 inode = alloc_inode(sb);/* 这个是主要的分配函数 */972 if (inode) {973 spin_lock(&inode_lock);974 inodes_stat.nr_inodes++; /* inode_stat是一个所有节点状态字段,这里表明增加了一个新的inode */975 list_add(&inode->i_list, &inode_in_use); /* 将这个inode加入到正在使用的链表中:inode_use链表 */976 inode->i_ino = ++last_ino; /* 给这个inode分配一个inode号! */977 inode->i_state = 0;978 spin_unlock(&inode_lock);979 }980 return inode;981 }
看看这个alloc_inode函数: 80 static struct inode *alloc_inode(struct super_block *sb) 81 { 82 static struct address_space_operations empty_aops; 83 static struct inode_operations empty_iops; 84 static struct file_operations empty_fops; 85 struct inode *inode; 86 87 if (sb->s_op->alloc_inode) /* 如果提供了自己的分配函数,那么这个文件系统自己分配去~~~,具体不多说 */ 88 inode = sb->s_op->alloc_inode(sb); 89 else { 90 inode = (struct inode *) kmem_cache_alloc(inode_cachep, SLAB_KERNEL);/* 这个就是通用的分配函数,从我们初始化好的inode_cache中分配 */ 91 /* will die */ 92 if (inode) 93 memset(&inode->u, 0, sizeof(inode->u)); 94 } 95 /* 下面初始化的东西就不多说了 */ 96 if (inode) { 97 struct address_space * const mapping = &inode->i_data; 98 99 inode->i_sb = sb;100 inode->i_dev = sb->s_dev;101 inode->i_blkbits = sb->s_blocksize_bits;102 inode->i_flags = 0;103 atomic_set(&inode->i_count, 1);104 inode->i_sock = 0;105 inode->i_op = &empty_iops;106 inode->i_fop = &empty_fops;107 inode->i_nlink = 1;108 atomic_set(&inode->i_writecount, 0);109 inode->i_size = 0;110 inode->i_blocks = 0;111 inode->i_bytes = 0;112 inode->i_generation = 0;113 memset(&inode->i_dquot, 0, sizeof(inode->i_dquot));114 inode->i_pipe = NULL;115 inode->i_bdev = NULL;116 inode->i_cdev = NULL;117 118 mapping->a_ops = &empty_aops;119 mapping->host = inode;120 mapping->gfp_mask = GFP_HIGHUSER;121 inode->i_mapping = mapping;122 }123 return inode;124 }
我们主要看87行和90行!看了注释也就明白了!第一种是文件系统也就是这个超级快提供了分配函数,那么就这个文件系统按照自己的意愿去分配,如果没有,那么就是要用这个通用的分配函数inode = (struct inode *) kmem_cache_alloc(inode_cachep, SLAB_KERNEL);这个函数其实很简单,其实就是在我们已经初始化好的这个inode_cache中分配一个inode内存块出来。
2). fs/inode.c中的insert_inode_hash函数,将新的分配的inode插入到inode_hashtable中:
1166 void insert_inode_hash(struct inode *inode)1167 {1168 struct list_head *head = &anon_hash_chain; /* anon_hash_chain是代表没有超级块的inode链表(有些临时的inode无需超级块) */1169 if (inode->i_sb)1170 head = inode_hashtable + hash(inode->i_sb, inode->i_ino); /* 这个是正常的插入 */1171 spin_lock(&inode_lock);1172 list_add(&inode->i_hash, head);1173 spin_unlock(&inode_lock);1174 }
注意这个hash表其实就可以看做是一个数组链表组合体,如图所示:
head = inode_hashtable + hash(inode->i_sb, inode->i_ino);这一行就是通过这个hash函数算出hash值,找到这个inode应该放在哪一列。譬如定位到第三列,那么第三列中的都是hash值相同的inode。然后所有的这列inode都是构成双向链表的。注意inode中的i_hash字段就做这个事的!!list_add(&inode->i_hash, head);函数就是将hash值相同的inode构成双向链表。
看一下这个具体的hash函数(inode.c中):
1043 static inline unsigned long hash(struct super_block *sb, unsigned long i_ino)1044 {1045 unsigned long tmp = i_ino + ((unsigned long) sb / L1_CACHE_BYTES);1046 tmp = tmp + (tmp >> I_HASHBITS);1047 return tmp & I_HASHMASK;1048 }
OK,上面的具体的inode创建和加入的流程基本清楚了。具体创建的过程是涉及到内存这一块的,不多说了。
4. 下面看看给一个怎么去找到一个inode,涉及ilookup函数:
1102 struct inode *ilookup(struct super_block *sb, unsigned long ino)1103 {1104 struct list_head * head = inode_hashtable + hash(sb,ino);/* 获得hash值 */1105 struct inode * inode;1106 1107 spin_lock(&inode_lock);1108 inode = find_inode(sb, ino, head, NULL, NULL); /* 寻找inode */1109 if (inode) {1110 __iget(inode);1111 spin_unlock(&inode_lock);1112 wait_on_inode(inode);1113 return inode;1114 }1115 spin_unlock(&inode_lock);1116 1117 return inode;1118 }
这个函数其实比较简单了,首先还是获得这个inode的hash值定位,然后开始finde_inode:
929 static struct inode * find_inode(struct super_block * sb, unsigned long ino, struct list_head *head, find_inode_t find_actor, void *opaque)930 {931 struct list_head *tmp;932 struct inode * inode;933 934 repeat:935 tmp = head;936 for (;;) {937 tmp = tmp->next;938 inode = NULL;939 if (tmp == head) /*双向循环链表结束条件*/940 break;941 inode = list_entry(tmp, struct inode, i_hash); /*获得链表中一个inode*/942 if (inode->i_ino != ino) /*是否找到*/943 continue;944 if (inode->i_sb != sb) /*是否合理:是不是我需要的super_block中的inode*/945 continue;946 if (find_actor && !find_actor(inode, ino, opaque)) /*这个是一个查找函数指针,用户定义的一些规则是否满足*/947 continue;948 if (inode->i_state & (I_FREEING|I_CLEAR)) { /*注意inode节点的状态如果是free或者clear,那么等free之后再重新找*/949 __wait_on_freeing_inode(inode);950 goto repeat;951 }952 break;953 }954 return inode; /*返回找到的inode节点*/955 }
上面函数最核心的本质不就是双向链表的查找么,OK。
最后:关于inode怎么工作的,将会在后面的分析ext2代码中在详细研究。