Linux文件系统(四)---三大缓冲区之inode缓冲区 (内存inode映像 )

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。inode缓冲区代码

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：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 */</span>

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。

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;"> 76 struct inodes_stat_t inodes_stat;

77

78 static kmem_cache_t * inode_cachep;</span>

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：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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</span>

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：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 }</span>

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：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">141 /*

142 * These are initializations that only need to be done

143 * once, because the fields are idempotent across use

144 * 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 }</span>

再看__inode_init_once函数：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 }</span>

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

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 } else

381 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 }</span>

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：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 }</span>

看看这个alloc_inode函数：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;"> 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 }</span>

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：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 }</span>

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)：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 }</span>

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：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 }</span>

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：

[cpp] view
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<span style="font-size:14px;">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 }</span>

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。