文件系统读写--文件读过程代码分析

10.4 文件读过程代码分析

        为了便于理解文件的读写过程，图10-1给出一个例子文件的内容分布图

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        文件总长度4096字节 * 7 = 28672 字节。从

        内核处理读文件从sys_read函数开始，从这个函数开始读过程分析：

asmlinkage ssize_t sys_read(unsigned int fd, char __user * buf, size_t count){struct file *file;ssize_t ret = -EBADF;int fput_needed;file = fget_light(fd, &fput_needed);if (file) {loff_t pos = file_pos_read(file);ret = vfs_read(file, buf, count, &pos);file_pos_write(file, pos);fput_light(file, fput_needed);}return ret;}EXPORT_SYMBOL_GPL(sys_read);

        sys_read函数首先根据文件ID获得文件结构的指针。每个进程都有一个files_struct结构指针，保存了进程所有打开的文件，因此以文件ID为索引，可以获得文件结构指针。其次获取文件的当前位置，这个参数是文件系统的内部保存，每次执行函数调用，都要记录读操作的最后位置，以备下次使用。

        最后调用vfs_read函数执行文件读，读完之后，把更新的文件当前位置写入文件指针：

ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos){ssize_t ret;if (!(file->f_mode & FMODE_READ))return -EBADF;if (!file->f_op || (!file->f_op->read && !file->f_op->aio_read))return -EINVAL;if (unlikely(!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, count)))return -EFAULT;//------校验文件的锁------------------------ret = rw_verify_area(READ, file, pos, count);if (ret >= 0) {count = ret;ret = security_file_permission (file, MAY_READ);if (!ret) {if (file->f_op->read)ret = file->f_op->read(file, buf, count, pos);elseret = do_sync_read(file, buf, count, pos);if (ret > 0) {fsnotify_access(file->f_dentry);current->rchar += ret;}current->syscr++;}}return ret;}EXPORT_SYMBOL(vfs_read);

         vfs_read函数首先检查读写锁的权限。如果文件不支持强制锁，这个检查直接通过；如果支持强制锁，就按照前一节的描述检查锁是否冲突。

        如果文件定义的read函数，调用文件自身的读函数，否则的话，系统提供了一个函数do_sync_read作为读函数。 文件系统的函数是如何注册到文件的f_op指针？这是文件初始化区间生成inode结构是赋予的。数据文件、目录文件或者设备文件各有不同的读写函数，第2章分析过。

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--linux-2.6.18\fs\Read_write.h

rw_verify_area函数使用------此函数不使用过大的计数。限制为int型

/* * rw_verify_area doesn't like huge counts. We limit * them to something that fits in "int" so that others * won't have to do range checks all the time. */#define MAX_RW_COUNT (INT_MAX & PAGE_CACHE_MASK)int rw_verify_area(int read_write, struct file *file, loff_t *ppos, size_t count){struct inode *inode;loff_t pos;if (unlikely((ssize_t) count < 0))goto Einval;pos = *ppos;if (unlikely((pos < 0) || (loff_t) (pos + count) < 0))goto Einval;inode = file->f_dentry->d_inode;if (unlikely(inode->i_flock && MANDATORY_LOCK(inode))) {int retval = locks_mandatory_area(read_write == READ ? FLOCK_VERIFY_READ : FLOCK_VERIFY_WRITE,inode, file, pos, count);if (retval < 0)return retval;}return count > MAX_RW_COUNT ? MAX_RW_COUNT : count;Einval:return -EINVAL;}

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--linux-2.6.18\include\linux\Security.h

static inline int security_file_permission (struct file *file, int mask){return security_ops->file_permission (file, mask);}

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下面是一个函数的调用处理结构

struct security_operations{*;* }

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不同文件系统的定义了不同的读写函数，我们选择一个广泛使用的文件系统--exit2文件系统作为例子：

generic_file_read函数

1、generic_file_read函数

        exit2文件系统的读函数使用了generic_file_read：

ssize_tgeneric_file_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos){struct iovec local_iov = { .iov_base = buf, .iov_len = count };struct kiocb kiocb;ssize_t ret;init_sync_kiocb(&kiocb, filp);ret = __generic_file_aio_read(&kiocb, &local_iov, 1, ppos);if (-EIOCBQUEUED == ret)ret = wait_on_sync_kiocb(&kiocb);return ret;}EXPORT_SYMBOL(generic_file_read);

        generic_file_read函数主要解决文件 同步操作 和 异步操作 的问题，这是通过一个同步控制结构kiocb实现。函数开始调用init_sync_kiocb初始化一个同步控制块kiocb，然后将读操作异步提交，如果读操作返回 EIOCBQUEUED ，进程置为睡眠态，等待kiocb的成员ki_user变为0。kiocb结构的定义在文件 \include\aio.h中，而它的控制逻辑主要在内核的异步I/O实现文件aio.h中。

#define init_sync_kiocb(x, filp)\do {\struct task_struct *tsk = current;\(x)->ki_flags = 0;\(x)->ki_users = 1;\(x)->ki_key = KIOCB_SYNC_KEY;\(x)->ki_filp = (filp);\(x)->ki_ctx = NULL;\(x)->ki_cancel = NULL;\(x)->ki_retry = NULL;\(x)->ki_dtor = NULL;\(x)->ki_obj.tsk = tsk;\(x)->ki_user_data = 0;                  \init_wait((&(x)->ki_wait));             \} while (0)

wait_on_sync_kiocb函数：

/* wait_on_sync_kiocb: *Waits on the given sync kiocb to complete. */ssize_t fastcall wait_on_sync_kiocb(struct kiocb *iocb){while (iocb->ki_users) {set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE);if (!iocb->ki_users)break;schedule();}__set_current_state(TASK_RUNNING);return iocb->ki_user_data;}

        前面的章节分析过，真正的异步操作是很难实现。使用page_cache的buffer I/O时因为要等待读I/O完成才能返回，这个过程有可能阻塞进程，所以buffer I/O的实现过程本身就不能保证异步，等buffer I/O读过程返回，实际上已经完成读操作。

2、__generic_file_aio_read函数

        __generic_file_aio_read，输入参数iov包含用户传入的用户态地址和希望读的字节数：

/** * __generic_file_aio_read - generic filesystem read routine * @iocb:kernel I/O control block * @iov:io vector request * @nr_segs:number of segments in the iovec * @ppos:current file position * * This is the "read()" routine for all filesystems * that can use the page cache directly. */ssize_t__generic_file_aio_read(struct kiocb *iocb, const struct iovec *iov,unsigned long nr_segs, loff_t *ppos){struct file *filp = iocb->ki_filp;ssize_t retval;unsigned long seg;size_t count;count = 0;for (seg = 0; seg < nr_segs; seg++) {const struct iovec *iv = &iov[seg];/* * If any segment has a negative length, or the cumulative * length ever wraps negative then return -EINVAL. */count += iv->iov_len;if (unlikely((ssize_t)(count|iv->iov_len) < 0))return -EINVAL;if (access_ok(VERIFY_WRITE, iv->iov_base, iv->iov_len))continue;if (seg == 0)return -EFAULT;nr_segs = seg;count -= iv->iov_len;/* This segment is no good */break;}/* coalesce the iovecs and go direct-to-BIO for O_DIRECT */if (filp->f_flags & O_DIRECT) {loff_t pos = *ppos, size;struct address_space *mapping;struct inode *inode;mapping = filp->f_mapping;inode = mapping->host;retval = 0;if (!count)goto out; /* skip atime */size = i_size_read(inode);if (pos < size) {retval = generic_file_direct_IO(READ, iocb,iov, pos, nr_segs);if (retval > 0 && !is_sync_kiocb(iocb))retval = -EIOCBQUEUED;if (retval > 0)*ppos = pos + retval;}file_accessed(filp);goto out;}retval = 0;if (count) {for (seg = 0; seg < nr_segs; seg++) {read_descriptor_t desc;desc.written = 0;desc.arg.buf = iov[seg].iov_base;desc.count = iov[seg].iov_len;if (desc.count == 0)continue;desc.error = 0;do_generic_file_read(filp,ppos,&desc,file_read_actor);retval += desc.written;if (desc.error) {retval = retval ?: desc.error;break;}}}out:return retval;}EXPORT_SYMBOL(__generic_file_aio_read);

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3、do_generic_file_read函数

        内核提供的通用读函数：

static inline void do_generic_file_read(struct file * filp, loff_t *ppos,read_descriptor_t * desc,read_actor_t actor){do_generic_mapping_read(filp->f_mapping,&filp->f_ra,filp,ppos,desc,actor);}

        do_generic_file_read函数封装了do_generic_mapping_read。输入参数f_mapping封装了块设备的读页面和写页面函数。对于ext2文件系统，它在文件inode初始化的时候设置了读写页面函数结构ext2_aops，打开文件的时候，设置文件的f_mapping等于inode结构提供结构指针。

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4、do_generic_mapping_read函数

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5、do_mpage_readpage函数

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6、block_read_full_page函数

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