Linux0.11 文件打开open函数（五）

系列文章目录

Linux 0.11启动过程分析（一）
Linux 0.11 fork 函数（二）
Linux0.11 缺页处理（三）
Linux0.11 根文件系统挂载（四）
Linux0.11 文件打开open函数（五）
Linux0.11 execve函数（六）
Linux0.11 80X86知识（七）
Linux0.11 内核体系结构（八）

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前言

  文件系统根目录下的所有文件名信息则保持在指定 i 节点（即1号节点）的数据块中。每个目录项只包括一个长度为 14 字节的文件名字字符串和该文件名对应的 2 字节的 i 节点号。有关文件的其它信息则被保存在该 i 节点号指定的 i 节点结构中，该结构中主要包括文件访问属性、宿主、长度、访问保存时间以及所在磁盘块等信息。

#define NAME_LEN 14            // 名字长度值
#define ROOT_INO 1             // 根 i 节点
 
struct dir_entry {
	unsigned short inode;      // i 节点号（0.11版本可理解为存储序号）
	char name[NAME_LEN];       // 文件名
};

  在打开一个文件时，文件系统会根据给定的文件名找到其 i 节点号，从而找到文件所在的磁盘块位置。例如对于要查找文件名 /usr/bin/vi 的 i 节点号，文件系统首先会从具有固定 i 节点号（1）的根目录开始操作，即从 i 节点号 1 的数据块中查找到名称为 usr 的目录项，从而得到文件 /usr 的 i 节点号。根据该 i 节点号文件系统可以顺利地取得目录 /usr，并在其中可以查找到文件名 bin 的目录项。这样也就知道了 /usr/bin 的 i 节点号，因而我们可以知道目录 /usr/bin 的目录所在位置，并在该目录中查找到 vi 文件的目录项。最终我们获得了文件路径名 /usr/bin/vi 的 i 节点号，从而可以从磁盘上得到该 i 节点号的 i 节点结构信息。

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一、由来

在文件 init/main.c 的 init 函数中调用了 open 函数：

void init(void) {
 
  // ...  
  
  (void)open("/dev/tty0", O_RDWR, 0);
  (void)dup(0);
  (void)dup(0);
  
  // ...  
}

接下来我们分析下其调用过程。

1、open函数

// lib/open.c
int open(const char * filename, int flag, ...)
{
	register int res;
	va_list arg;
 
	va_start(arg,flag);
	__asm__("int $0x80"
		:"=a" (res)
		:"0" (__NR_open),"b" (filename),"c" (flag),
		"d" (va_arg(arg,int)));
	if (res>=0)
		return res;
	errno = -res;
	return -1;
}

从上面可知，这是一个系统调用，其中断响应为 kernel/system_call.s 文件中 system_call 函数，最终调用 sys_open 函数（具体可参考 Linux 0.11 fork 函数（二））。

二、sys_open 函数

函数位于文件 fs/open.c 中。

// fs/open.c
int sys_open(const char * filename,int flag,int mode)
{
	struct m_inode * inode;
	struct file * f;
	int i,fd;
 
	mode &= 0777 & ~current->umask;
	for(fd=0 ; fd<NR_OPEN ; fd++)
		if (!current->filp[fd])
			break;
	if (fd>=NR_OPEN)
		return -EINVAL;
	current->close_on_exec &= ~(1<<fd);
	f=0+file_table;
	for (i=0 ; i<NR_FILE ; i++,f++)
		if (!f->f_count) break;
	if (i>=NR_FILE)
		return -EINVAL;
	(current->filp[fd]=f)->f_count++;
	if ((i=open_namei(filename,flag,mode,&inode))<0) {
		current->filp[fd]=NULL;
		f->f_count=0;
		return i;
	}
/* ttys are somewhat special (ttyxx major==4, tty major==5) */
	if (S_ISCHR(inode->i_mode)) {
		if (MAJOR(inode->i_zone[0])==4) {
			if (current->leader && current->tty<0) {
				current->tty = MINOR(inode->i_zone[0]);
				tty_table[current->tty].pgrp = current->pgrp;
			}
		} else if (MAJOR(inode->i_zone[0])==5)
			if (current->tty<0) {
				iput(inode);
				current->filp[fd]=NULL;
				f->f_count=0;
				return -EPERM;
			}
	}
/* Likewise with block-devices: check for floppy_change */
	if (S_ISBLK(inode->i_mode))
		check_disk_change(inode->i_zone[0]);
	f->f_mode = inode->i_mode;
	f->f_flags = flag;
	f->f_count = 1;
	f->f_inode = inode;
	f->f_pos = 0;
	return (fd);
}

1、open_namei 函数

函数位于文件 fs/namei.c 中。

// fs/namei.c
// 文件打开函数
// pathname是文件名，flag是打开文件标志，可为：O_RDONLY（只读）、O_WRONLY（只写）或
// O_RDWR（读写），以及O_CREAT（创建）、O_EXCL（被创建文件必须不存在）、O_APPEND（在文件尾添加数据）
// 等其他一些标志的组合。
// 成功返回0，否则返回出错码，res_node返回对应文件路径名的i节点指针
int open_namei(const char * pathname, int flag, int mode,
	struct m_inode ** res_inode)
{
	const char * basename;
	int inr,dev,namelen;
	struct m_inode * dir, *inode;
	struct buffer_head * bh;
	struct dir_entry * de;
 
	if ((flag & O_TRUNC) && !(flag & O_ACCMODE))
		flag |= O_WRONLY;
	mode &= 0777 & ~current->umask;
	mode |= I_REGULAR;
	if (!(dir = dir_namei(pathname,&namelen,&basename)))
		return -ENOENT;
	if (!namelen) {			/* special case: '/usr/' etc */
		if (!(flag & (O_ACCMODE|O_CREAT|O_TRUNC))) {
			*res_inode=dir;
			return 0;
		}
		iput(dir);
		return -EISDIR;
	}
	bh = find_entry(&dir,basename,namelen,&de);
	if (!bh) {
		if (!(flag & O_CREAT)) {
			iput(dir);
			return -ENOENT;
		}
		if (!permission(dir,MAY_WRITE)) {
			iput(dir);
			return -EACCES;
		}
		inode = new_inode(dir->i_dev);
		if (!inode) {
			iput(dir);
			return -ENOSPC;
		}
		inode->i_uid = current->euid;
		inode->i_mode = mode;
		inode->i_dirt = 1;
		bh = add_entry(dir,basename,namelen,&de);
		if (!bh) {
			inode->i_nlinks--;
			iput(inode);
			iput(dir);
			return -ENOSPC;
		}
		de->inode = inode->i_num;
		bh->b_dirt = 1;
		brelse(bh);
		iput(dir);
		*res_inode = inode;
		return 0;
	}
	inr = de->inode;
	dev = dir->i_dev;
	brelse(bh);
	iput(dir);
	if (flag & O_EXCL)
		return -EEXIST;
	if (!(inode=iget(dev,inr)))
		return -EACCES;
	if ((S_ISDIR(inode->i_mode) && (flag & O_ACCMODE)) ||
	    !permission(inode,ACC_MODE(flag))) {
		iput(inode);
		return -EPERM;
	}
	inode->i_atime = CURRENT_TIME;
	if (flag & O_TRUNC)
		truncate(inode);
	*res_inode = inode;
	return 0;
}

dir_namei 函数

函数位于文件 fs/namei.c 中。
该函数返回指定目录名的 i 节点指针，以及在最顶层目录的名称。

static struct m_inode * dir_namei(const char * pathname,
	int * namelen, const char ** name)
{
	char c;
	const char * basename;
	struct m_inode * dir;
 
	if (!(dir = get_dir(pathname)))
		return NULL;
	basename = pathname;
	while ((c=get_fs_byte(pathname++)))
		if (c=='/')
			basename=pathname;
	*namelen = pathname-basename-1;
	*name = basename;
	return dir;
}

get_dir 函数

函数位于文件 fs/namei.c 中。
该函数根据给出的路径名进行搜索，直到达到最顶端的目录。

static struct m_inode * get_dir(const char * pathname)
{
	char c;
	const char * thisname;
	struct m_inode * inode;
	struct buffer_head * bh;
	int namelen,inr,idev;
	struct dir_entry * de;
 
    // 搜索操作会从当前进程任务结构中设置的根（或伪根）i 节点或当前工作目录 i 节点开始。
    // 因此首先需要判断进程的根 i 节点指针和当前工作目录 i 节点指针是否有效。如果当前进程
    // 没有设定根 i 节点，或者该进程根 i 节点指向是一个空闲i节点（引用为0），则系统出错停机。
    // 如果进程的当前工作目录i节点指针为空，或者当前工作目录 i 节点指向是一个空闲i节点，
    // 这也是系统有问题，停机。
	if (!current->root || !current->root->i_count)
		panic("No root inode");
	if (!current->pwd || !current->pwd->i_count)
		panic("No cwd inode");
    // 如果用户指定的路径名的第1个字符是'/'，则说明路径是绝对路径名。则从根i节点开始操作。
    // 否则表示给定的是相对路径名。应从进程的当前工作目录开始操作。则取进程当前工作目录的
    // i节点。
	if ((c=get_fs_byte(pathname))=='/') {
		inode = current->root;
		pathname++;
	} else if (c)
		inode = current->pwd;
	else
		return NULL;	/* empty name is bad */
    // 然后针对路径名中的各个目录名部分和文件名进行循环处理。首先把得到的i节点引用计数增1，
    // 表示我们正在使用。在循环处理过程中，我们先要对当前正在处理的目录名部分（或文件名）的i
    // 节点进行有效性判断，并且把变量thisname指向当前正在处理的目录名部分（或文件名）。
    // 如果该i节点不是目录类型的i节点，或者没有可进入该目录的访问许可，则放回该i节点，并返回
    // NULL退出。当然，刚进入循环时，当前的i节点就是进程根i节点或者是当前工作目录的i节点。
    // 注意！如果路径名中最后一个名称也是一个目录名，但其后面没有加上'/'字符，则函数不会
    // 返回该最后目录的i节点！例如：对于路径名/usr/src/linux，该函数将只返回src目录名的i节点。
	inode->i_count++;
	while (1) {
		thisname = pathname;
		if (!S_ISDIR(inode->i_mode) || !permission(inode,MAY_EXEC)) {
			iput(inode);
			return NULL;
		}
    // 每次循环我们处理路径名中一个目录名（或文件名）部分。因此在每次循环中我们都要从路径
    // 名字符串中分离出一个目录名（或文件名）。方法是从当前路径名指针pathname开始处搜索
    // 检测字符，直到字符是一个结尾符（NULL）或者是一个'/'字符。此时变量namelen正好是当前
    // 处理目录名部分的长度，而变量thisname正指向该目录名部分的开始处。此时如果字符是结尾符
    // NULL，则表明已经搜索到路径名末尾，并已到达最后指定目录名或文件名，则返回该i节点指针退出
		for(namelen=0;(c=get_fs_byte(pathname++))&&(c!='/');namelen++)
			/* nothing */ ;
		if (!c)
			return inode;
    // 在得到当前目录名部分（或文件名）后，我们调用查找目录项函数find_entry在当前处理的目录中
    // 寻找指定名称的目录项。如果没找到，则返回NULL退出。否则在找到的目录项中取出其i节点号inr
    // 和设备号idev，然后取节点号inr的i节点inode，并以该目录项为当前目录继续循环处理路径名中的
    // 下一目录名部分（或文件名）
		if (!(bh = find_entry(&inode,thisname,namelen,&de))) {
			iput(inode);
			return NULL;
		}
		inr = de->inode;
		idev = inode->i_dev;
		brelse(bh);
		iput(inode);
		if (!(inode = iget(idev,inr)))
			return NULL;
	}
}

find_entry 函数

/* 查找指定目录和文件名的目录项。
 * dir 指定目录i节点的指针，name 文件名，namelen文件名长度。
 * 返回：成功则返回函数告诉缓冲区指针，并在*res_dir处返回的目录项结构指针。失败则返回空指针。
*/
static struct buffer_head * find_entry(struct m_inode ** dir,
	const char * name, int namelen, struct dir_entry ** res_dir)
{
    //...
}