内核OverlayFS—文件读写

Linux

内核版本4.4.68

文件（一般文件或目录）的读写和文件的创建删除不同，文件的创建删除作用于inode结构，需要用到inode操作。而文件的读写则是作用于file结构，因此需要用到file操作

通常，读写文件之前需要先打开这个文件，通过open系统调用，传入表示文件的路径字符串，随后内核会根据路径字符串进行路径查找，最终得到一个表示文件的file结构，并使之与当前进程相关联，之后的读写便会根据这个file结构来进行，这个结构的f_op字段是一个file操作的指针，file操作包含了文件读写函数的指针。OverlayFS中文件的读写也不例外，但是在OverlayFS中，一般文件的读写和目录的读写又有区别：

  • 一般文件的读写：在OverlayFS中，文件来源于upper层或lower层。在打开文件时，OverlayFS实际上打开的是upper层或者lower层的文件，因此随后发生的读写也就是对upper层或lower层的文件。
  • 目录的读写：与一般文件不同的是，目录的读写相对复杂。因为对于一个同时存在upper层和lower层的目录，在对该目录进行搜索时，OverlayFS会对upper层和lower层的目录分别进行搜索，然后做一些合并处理。但是对于同时存在于upper层或lower层的文件来说，由于”上层覆盖下层“，因此只需要读取upper层中文件就行了

正因如此，对于目录的读取，OverlayFS定义了自己的file操作，而对于一般文件的读写，OverlayFS不需要定义自己的操作

这篇文章重点在分析文件读写如何获得自己的读写操作，而不会深入的某个具体的读写函数。比如目录搜索是一个目录读写的例子，这部分另一篇博文有介绍，这里主要是分析OverlayFS中文件读写的本质


获取file操作

文件的读写函数由file操作中的函数指针来索引，因此要了解文件读写到底调用了什么函数就需要弄清楚文件何时、如何获得自己的file操作。而文件的file操作又由file结构的f_op字段指向，所以可以看看在路径查找过程中，获取表示文件的file结构时，如何为f_op字段赋值

在文件打开过程中，解析完路径字符串时，会调用到vfs_open()函数：

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int vfs_open(const struct path *path, struct file *file,
	     const struct cred *cred)
{
	struct inode *inode = vfs_select_inode(path->dentry, file->f_flags);

	if (IS_ERR(inode))
		return PTR_ERR(inode);

	file->f_path = *path;
	return do_dentry_open(file, inode, NULL, cred);
}

这个函数会选取一个inode，设置file的f_path字段，最后调用函数do_dentry_open()，这个函数会进一步设置file的其它字段，包括f_op，最后执行文件打开操作：

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static int do_dentry_open(struct file *f,
			  struct inode *inode,
			  int (*open)(struct inode *, struct file *),
			  const struct cred *cred)
{
	...
	f->f_inode = inode;
	f->f_mapping = inode->i_mapping;
	
	...
	f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
	
	...
	if (!open)
		open = f->f_op->open;
	if (open) {
		error = open(inode, f);
		if (error)
			goto cleanup_all;
	}
	...
}

从代码中可以看出，file结构的f_op字段使用inode的i_fop字段进行赋值。因此文件的inode决定了file操作。通过函数vfs_open()发现，传入的inode由vfs_select_inode()决定：

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static inline struct inode *vfs_select_inode(struct dentry *dentry,
					     unsigned open_flags)
{
	struct inode *inode = d_inode(dentry);//dentry->d_inode

	if (inode && unlikely(dentry->d_flags & DCACHE_OP_SELECT_INODE))
		inode = dentry->d_op->d_select_inode(dentry, open_flags);

	return inode;
}

dentry表示路径字符串最后一个分量的目录项，也就是OverlayFS中，所需打开的文件的目录项。对于OverlayFS中的目录项，函数的if条件成立，因此会进一步调用dentry操作的d_select_inode()函数，OverlayFS实现了对应的函数：

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struct inode *ovl_d_select_inode(struct dentry *dentry, unsigned file_flags)
{
	int err;
	struct path realpath;
	enum ovl_path_type type;

	if (d_is_dir(dentry))
		return d_backing_inode(dentry);

	//如果不是一个dir，则会执行后面的代码

	type = ovl_path_real(dentry, &realpath);//获取真实路径
	if (ovl_open_need_copy_up(file_flags, type, realpath.dentry)) {
		err = ovl_want_write(dentry);
		if (err)
			return ERR_PTR(err);

		if (file_flags & O_TRUNC)
			err = ovl_copy_up_truncate(dentry);
		else
			err = ovl_copy_up(dentry);
		ovl_drop_write(dentry);
		if (err)
			return ERR_PTR(err);

		ovl_path_upper(dentry, &realpath);
	}

	if (realpath.dentry->d_flags & DCACHE_OP_SELECT_INODE)
		return realpath.dentry->d_op->d_select_inode(realpath.dentry, file_flags);

	return d_backing_inode(realpath.dentry);
}

通过这个函数，我们可以发现，对于目录和一般文件，返回的inode不同：

  • 目录：如果是一个目录，则直接返回dentry->d_inode。因为dentry是OverlayFS中所要打开文件的目录项，所以其指向的inode为OverlayFS下，所要打开文件对应的inode
  • 一般文件：如果是一个一般文件，则会根据打开标志以及对应upper或lower层文件的目录项决定是否要执行copy-up操作。比方说，如果是一个lower层的一般文件，以读写方式打开，则会将这个文件拷贝至upper层。如果是以只读方式打开，则不需要。然后根据最终upper层或lower层相应文件的目录项的d_flags字段决定是否需要进一步调用d_select_inode()函数。如果不需要则返回upper层或lower层相应文件的inode

分析到这已经可以得出结论了，对于一个目录，函数返回OverlayFS中该目录的inode，然后根据inode的i_fop字段来决定文件的读写操作。对于一个一般文件，返回的并不是OverlayFS中文件的inode，通常情况下，返回的是upper或lower层对应文件的inode


一般文件读写

假设要对OverlayFS下的file1进行读写，在文件打开过程中，会得到一个表示file1的file结构，函数vfs_select_inode()会返回upper目录下file1的inode，然后根据这个inode设置file结构的f_inode字段，根据inode的i_fop字段来定义file操作，因此，实际上打开的是upper目录下的file1文件。由于upper目录下的file1是ext4下的一个文件，因此file操作由ext4实现，今后读写OverlayFS中的file1，实际上是对upper目录中的file1进行读写


目录读写

假设要对OverlayFS下的目录d进行读写，在文件打开过程中，会得到一个表示d的file结构。和一般文件不同，函数vfs_select_inode()返回的inode就是OverlayFS下目录d对应的inode。接着会根据这个inode设置file结构的f_inode字段，根据inode的i_fop字段来定义file操作，因此，实际上打开的文件就是OverlayFS下的目录d，而不是upper目录下的目录d。今后读写OverlayFS中的目录d并不会转化为读写upper下目录d，相应的file操作由OverlayFS实现

通过OverlayFS的inode分配函数也可以看出，如果不是为目录分配inode，则不会设置inode的i_fop字段。因为实际的读写操作作用于upper层或lower层的相应文件，因此不需要OverlayFS中文件的inode。但是为目录分配inode时，会设置i_fop字段，在目录读写时，为file结构的f_op字段赋值：

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struct inode *ovl_new_inode(struct super_block *sb, umode_t mode,
			    struct ovl_entry *oe)
{
	struct inode *inode;

	inode = new_inode(sb);//在sb下分配一个inode
	if (!inode)
		return NULL;

	inode->i_ino = get_next_ino();//设置inode号
	inode->i_mode = mode;//设置mode
	inode->i_flags |= S_NOATIME | S_NOCMTIME;//设置flag

	mode &= S_IFMT;
	//根据inode类型设置inode操作
	switch (mode) {
	case S_IFDIR:
		inode->i_private = oe;
		inode->i_op = &ovl_dir_inode_operations;
		inode->i_fop = &ovl_dir_operations;
		break;

	case S_IFLNK:
		inode->i_op = &ovl_symlink_inode_operations;
		break;

	case S_IFREG:
	case S_IFSOCK:
	case S_IFBLK:
	case S_IFCHR:
	case S_IFIFO:
		inode->i_op = &ovl_file_inode_operations;
		break;

	default:
		WARN(1, "illegal file type: %i\n", mode);
		iput(inode);
		inode = NULL;
	}

	return inode;
}

本文标题:内核OverlayFS—文件读写

文章作者:Arking

发布时间:2017-12-26, 02:51:00

最后更新:2018-12-17, 20:25:17

原始链接:https://arkingc.github.io/2017/12/26/2017-12-26-linux-code-overlayfs-read_write/

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文章目录
  1. 1. 获取file操作
  2. 2. 一般文件读写
  3. 3. 目录读写
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