Btrfs Code documentation

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Btrfs Code documentation (2010-08-15 23:28) 转载

分类： Linux Filesystem

Kernel and Utilities

尽最大的可能在内核和应用程序之间共享代码。他们代码主要的不同在于启动和跟踪IO的代码。Btrfs内的任何一个项目都应该试着来保持内核和应用程序的更新，并且保持他们之间的代码通用。

对于Btrfs理解的重要部分便是理解keys和items是如何交互的，和各个类型的item的数据是如何编排格式的。Btrfs-debug-tree命令可以被用来打印ascii格式的btree结构，如果想要查看数据是如何在磁盘上排列的，这可能会非常有帮助。

Btrfs Terms

Btree

所有的元数据都被存放在磁盘上的一个btree中。Btrees存储key/item对。尽管使用了相同的代码来实现所有的btrees，但仍有一些不同种类的btree。可以参考Btrees。

Key

一个用来为一棵Btree的item提供标识和分类的固定大小的元组。key被分成3各部分：objectid,type, 和 offset。type字段显示另外两个字段应该被使用的方式和在item中找到的信息类型。可以参考Btree Keys。

Item

存储在btree叶子中的可变大小的结构。根据key类型的不同，item含有不同类型的数据。可以参考Btree Items。

Subvolume

一个含有文件和目录的命名树。每一个快照是一个subvolume，但并不是每一个subvolume都是一个快照。

Snapshot

通过引用另一个subvolume的根来创建一个subvolume。快照是可写的，但是对于快照的任何修改都不会出现在它的父subvolume中。

Extent buffer

一个允许访问大于一个页大小的btree块的抽象。

Main Source Files

ctree.c 核心的btree管理代码
ctree.h 定义了keys和大多数元数据使用的数据结构
dir-item.c 创建和使用目录items的辅助函数
disk-io.c 元数据IO操作和FS open/close 例程
extent-tree.c btree块和文件数据extents使用的tracks and space
extent_io.c 跟踪状态（locked, writeback 等）和实现extent_buffers
extent_map.c 映射一个文件的逻辑偏移到磁盘上的逻辑块地址
file-item.c 插入和移除文件extents 和数据校验和的辅助函数
file.c 文件写例程(kernel only)
inode-item.c 在btree中分配inode结构的辅助函数
inode.c kernel使用的大部分文件和目录操作
ordered-data.c 为data=ordered 维护inodes链表
print-tree.c 查找一棵btree并打印它找到的items
root-tree.c 管理tree roots的tree中的items的辅助函数
struct-funcs.c 例示所有的元数据的set/get 函数的宏
super.c 内核超级块及相关函数
transaction.c 处理事件的提交
volumes.c 所有的多设备有关代码
tree-log.c 为快速fsync 处理树items的日志
compression.c zlib压缩支持例程

Using Extent Buffers

Extent缓冲是提供了对于跨越多个页的内存区域的读/写方法的容器。他们使btrfs可以具有大于单个页的树块，并且抽象出kmap调用以使元数据可以位于高端内存。

为了维护代码中的类型安全，Btrfs提供了一些宏可以将extent buffer内的偏移转换为一个特定的类型，还有一些宏来为数据结构中各个字段执行set/get操作。These macros including caching to lower then number of times kmap must be called while looping.

宏在ctree.h声明(查找BTRFS_SETGET_FUNCS)，但是由于他们相当大，在文件struct-funcs.c有他们的例示。用法的例子可以在下面的算法部分找到。

Tree Searching

我们希望通过对于树查找过程的研究，来了解B+树在btrfs中的应用。

int btrfs_search_slot(struct btrfs_trans_handle *trans,

struct btrfs_root *root, struct btrfs_key *key,

struct btrfs_path *p, int ins_len, int cow);

书查找是基于关键字的，查找结果保存在一个btrfs_path结构中，路径给了你从跟向下到页的所有的树块。

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fs/btrfs/ctree.h

430 struct btrfs_path {

431 struct extent_buffer *nodes[BTRFS_MAX_LEVEL];

432 int slots[BTRFS_MAX_LEVEL];

433 /* if there is real range locking, this locks field will change */

434 int locks[BTRFS_MAX_LEVEL];

435 int reada;

436 /* keep some upper locks as we walk down */

437 int lowest_level;

438

439 /*

440 * set by btrfs_split_item, tells search_slot to keep all locks

441 * and to force calls to keep space in the nodes

442 */

443 unsigned int search_for_split:1;

444 unsigned int keep_locks:1;

445 unsigned int skip_locking:1;

446 unsigned int leave_spinning:1;

447 unsigned int search_commit_root:1;

448 };

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上面的BTRFS_MAX_LEVEL定义为8。

path->nodes[0]总是叶子节点，path->nodes[1]为指向叶子节点的btree节点。slots数组指示使用的是btree块中的哪一个key或item。path->slots[1]告诉我们使用path->nodes[1]中的哪一个块指针来查找叶子节点。path->slots[0]告诉我们找到的是path->nodes[0]中的哪个item。

ins_len参数告诉btrfs_search_slot()来准备树以在树中中插入一个item(ins_len > 0)或移除一个item(ins_len < 0)。在插入的情形下，btrfs_search_slot()确保叶子节点有可以插入一个大小为ins_len的item的空间。对于移除items，btrfs_search_slot()确保高层节点被适当的拆分。

cow参数告诉btrfs_search_slot()你打算改变路径中的一个或多个buffers。这种情况下，它在从根到页的所有的buffers上执行适当的cow操作。

btrfs_search_slot()出错时返回 < 0，如果找到要查找的关键字则返回0，如果没找到，则返回1。如果没找到关键字，则路径指向关键字应该被插入的位置（即使ins_len为0）。这使你可以容易的查看接近于某个给定关键字的items。

查找关键字(0, 0, 0)将使路径指向数的第一个item。查找关键字将使返回值为1，并且路径指向树的最后一个item（假设那个关键字还没有出现，它也本不应该出现）。

btrfs_previous_item()可以被用以基于一个路径的查找给定类型的前一个item。

btrfs_next_leaf()可以被用以基于一个路径的查找给定类型的下一个item。

btrfs_prev_leaf()可以被用以基于一个路径的查找给定类型的前一个叶子节点。

Sample Search Code

volumes.c:find_next_chunk()是一个非常简单的为一个新的逻辑磁盘chunk查找起始点的例程。它查找chunk btree的最高的关键字，并返回一个更大的值。chunk树中的关键字具有如下的形式：

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key.objectid = logical byte offset

key.type = BTRFS_CHUNK_ITEM_KEY

key.offset = number of bytes in this chunk

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947 static noinline int find_next_chunk(struct btrfs_root *root,

948                                     u64 objectid, u64 *offset)

949 {

950         struct btrfs_path *path;

951         int ret;

952         struct btrfs_key key;

953         struct btrfs_chunk *chunk;

954         struct btrfs_key found_key;

956         path = btrfs_alloc_path();

957         BUG_ON(!path);

959         key.objectid = objectid;

960         key.offset = (u64)-1;

961         key.type = BTRFS_CHUNK_ITEM_KEY;

963         ret = btrfs_search_slot(NULL, root, &key, path, 0, 0);

---------------------------------------------------------------------

树搜索是一个只读的操作，所以btrfs_search_slot()不需要一个“事件处理”，并且ins_len和cow参数也为0。分配了一个path以用于记录搜索的结构，关键字被设置来搜索树中最高的可能的BTRFS_CHUNK_ITEM_KEY

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964         if (ret < 0)

965                 goto error;

967         BUG_ON(ret == 0);

---------------------------------------------------------------------

我们期望搜索返回1，它不应该可能会有一个chunk以逻辑偏移2^64处为起始。

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969  ret = btrfs_previous_item(root, path, 0, BTRFS_CHUNK_ITEM_KEY);

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btrfs_previous_item() 被用来在树中向后查找，直到找到一个具有类型BTRFS_CHUNK_ITEM_KEY的关键字。如果他返回非零，那么它没有找到任何东西。如果需要，btrfs_previous_item()可能会执行IO来读取通过查找父指针而找到的树中的前一个页子节点。

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970   if (ret) {

971        *offset = 0;

972   } else {

973        btrfs_item_key_to_cpu(path->nodes[0], &found_key,

974                           path->slots[0]);

975        if (found_key.objectid != objectid)

976             *offset = 0;

977        else {

978             chunk = btrfs_item_ptr(path->nodes[0], path->slots[0],

979                                    struct btrfs_chunk);

980             *offset = found_key.offset +

981                     btrfs_chunk_length(path->nodes[0], chunk);

982        }

983   }

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btrfs_previous_item() 执行之后，path指向树中type == BTRFS_CHUNK_ITEM_KEY的最后一个item。btrfs_item_key_to_cpu()从extent_buffer中拷贝出关键字，并执行尾端转换来把它变为CPU字节序，将结果保存在found_key 中。我们用*objectid返回新的chunk的起始字节。

---------------------------------------------------------------------

984         ret = 0;

985 error:

986         btrfs_free_path(path);

987         return ret;

988 }

---------------------------------------------------------------------

最后的步骤是释放path并返回。

Sample Item Insertion

在内部，item插入仅仅是一次搜索，然后在叶子节点中腾出空间，接着把item复制到适当的地方而已。下面的例子来自volumes.c:btrfs_add_device()。它在chunk树中添加包括每一个设备的总大小、设备类型、已使用的字节、最优的IO参数的信息。

设备item具有如下形式的关键字：

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key.objectid = BTRFS_DEV_ITEMS_OBJECTID;

key.type = BTRFS_DEV_ITEM_KEY;

key.offset = device id

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设备items共享同一课完成逻辑->物理设备映射的树。他们的关键字具有相同的objectid和type字段，只有offset用来区分两个不同的设备item。传递给函数btrfs_add_device()的device 具有所有用来填充磁盘上元数据的数据。

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1032 int btrfs_add_device(struct btrfs_trans_handle *trans,

1033                      struct btrfs_root *root,

1034                      struct btrfs_device *device)

1035 {

1036         int ret;

1037         struct btrfs_path *path;

1038         struct btrfs_dev_item *dev_item;

1039         struct extent_buffer *leaf;

1040         struct btrfs_key key;

1041         unsigned long ptr;

1043         root = root->fs_info->chunk_root;

1045         path = btrfs_alloc_path();

1046         if (!path)

1047                 return -ENOMEM;

1049         key.objectid = BTRFS_DEV_ITEMS_OBJECTID;

1050         key.type = BTRFS_DEV_ITEM_KEY;

1051         key.offset = device->devid;

1053         ret = btrfs_insert_empty_item(trans, root, path, &key,

1054                                       sizeof(*dev_item));

1055         if (ret)

1056                 goto out;

---------------------------------------------------------------------

btrfs_insert_empty_item() 完成所有需要的在树中为新的item腾出空间的COW和btree 工作。如果返回0，则path 可以被用来填充数据。

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1058         leaf = path->nodes[0];

1059         dev_item = btrfs_item_ptr(leaf, path->slots[0], struct btrfs_dev_item);

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btrfs_item_ptr() 把extent buffer leaf 中的一个偏移转换为一个struct btrfs_dev_item。树的叶子节点和slot的信息来自于path。下面的代码使用set/get函数来填充元数据。

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1061   btrfs_set_device_id(leaf, dev_item, device->devid);

1062   btrfs_set_device_generation(leaf, dev_item, 0);

1063   btrfs_set_device_type(leaf, dev_item, device->type);

1064   btrfs_set_device_io_align(leaf, dev_item, device->io_align);

1065   btrfs_set_device_io_width(leaf, dev_item, device->io_width);

1066   btrfs_set_device_sector_size(leaf, dev_item, device->sector_size);

1067   btrfs_set_device_total_bytes(leaf, dev_item, device->total_bytes);

1068   btrfs_set_device_bytes_used(leaf, dev_item, device->bytes_used);

1069   btrfs_set_device_group(leaf, dev_item, 0);

1070   btrfs_set_device_seek_speed(leaf, dev_item, 0);

1071   btrfs_set_device_bandwidth(leaf, dev_item, 0);

1072   btrfs_set_device_start_offset(leaf, dev_item, 0);

1074   ptr = (unsigned long)btrfs_device_uuid(dev_item);

1075   write_extent_buffer(leaf, device->uuid, ptr, BTRFS_UUID_SIZE);

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btrfs_device_uuid()用来查找设备item的uuid字段的偏移。write_extent_buffer() 使用这个字段作为一个到叶子节点页的memcpy操作的目的地址。

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1076         ptr = (unsigned long)btrfs_device_fsid(dev_item);

1077         write_extent_buffer(leaf, root->fs_info->fsid, ptr, BTRFS_UUID_SIZE);

1078         btrfs_mark_buffer_dirty(leaf);

1080         ret = 0;

1081 out:

1082         btrfs_free_path(path);

1083         return ret;

1084 }

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最后的步骤是标记buffer为“脏”以使它被pdflush或transaction commit写回磁盘，然后释放path。

Sample Item Removal

移除items通过查找item，然后调用btrfs_del_item()来完成。下面的代码来自xattr.c:btrfs_delete_xattrs()，它删除一个给定inode的所有的xattrs。在inode.c:btrfs_truncate_inode_items()中可以找到一个这种循环的更高效的版本。基本的结构是循环搜索最后的类型为BTRFS_XATTR_ITEM_KEY的item并删除它。循环在你发现一些不是一个BTRFS_XATTR_ITEM_KEY的item的时候或者一些属于不同的objectid的item的时候终止。

xattr关键字具有如下的形式：

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key.objectid = objectid of the inode owning the xattr

key.type = BTRFS_XATTR_ITEM_KEY

key.offset = hash of xattr name

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int btrfs_delete_xattrs(struct btrfs_trans_handle *trans,

struct btrfs_root *root, struct inode *inode)

{

struct btrfs_path *path;

struct btrfs_key key, found_key;

struct extent_buffer *leaf;

int ret;

path = btrfs_alloc_path();

if (!path)

return -ENOMEM;

path->reada = -1;

---------------------------------------------------------------------

path->reada = -1告诉预读代码你正在向后查找树。

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key.objectid = inode->i_ino;

btrfs_set_key_type(&key, BTRFS_XATTR_ITEM_KEY);

key.offset = (u64)-1;

while(1) {

/* look for our next xattr */

ret = btrfs_search_slot(trans, root, &key, path, -1, 1);

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btrfs_search_slot()的ins_len为-1，由于我们在删除一个item。COW是1是因为树将会被修改。我们希望搜索的返回值为1，并且在搜索之后，path指向树中适于出入关键字的位置。如果我们从那个位置向前一个slot，我们将会找到这个inode的上一个xattr item或一个具有完全不同的类型或objectid的item。

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if (ret < 0)

goto out;

BUG_ON(ret == 0);

if (path->slots[0] == 0)

break;

path->slots[0]--;

leaf = path->nodes[0];

btrfs_item_key_to_cpu(leaf, &found_key, path->slots[0]);

if (found_key.objectid != key.objectid)

break;

if (btrfs_key_type(&found_key) != BTRFS_XATTR_ITEM_KEY)

break;

ret = btrfs_del_item(trans, root, path);

BUG_ON(ret);

btrfs_release_path(root, path);

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在确认了item具有我们查找的类型和objectid后，调用btrfs_del_item()来讲那个item从btree中删除。btrfs_release_path()减少path中所有的extent_buffers的引用计数，以使btrfs_search_slot()可以被再次调用。while循环终止后的最后的步骤便是释放path和返回了。 }

---------------------------------------------------------------------

ret = 0;

out:

btrfs_free_path(path);

return ret;

}

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