管道文件系统pipefs

Posted 2022-11-30 ty_laurel

概述

  在Linux的世界里，万物皆文件，并且都是通过虚拟文件系统VFS来同一管理调用不同的文件系统，因此Linux中可以通过文件IO系统调用来进行操作。而管道就是一个伪文件系统，其通过pipefs来实现。同其他真正的文件系统（ext3、ext4等）一样，都实现VFS中的四种主要对象：super_block、inode、dentry和文件对象file。当对管道进行读写操作时，VFS就会将请求转发给pipefs，而pipefs则会调用自己特定的一些操作函数。 

file_system_type操作表

  pipefs是一个文件系统，就会有一个被称为file_system_type的数据结构，在系统启动或者文件系统模块挂载时用于在VFS中进行注册。所有的已注册的文件系统的file_system_type结构形成一个链表，链表头由file_systems变量指定。pipefs的file_system_type操作表如下:

 
  
   static struct file_system_type pipe_fs_type = 
  
  
       .name       = "pipefs",
  
  
       .mount      = pipefs_mount,
  
  
       .kill_sb    = kill_anon_super,     //用于移除特殊文件系统的超级块
  
  
   ;
  
 

3.18内核版本file_system_type结构体中增加了一个mount成员的钩子函数,

 
  
   struct dentry *(*mount) (struct file_system_type *, int, const char *, void *);
  
 

对于pipefs、sockfs和bdev等伪文件系统调用的该钩子函数实现都是对mount_pseudo函数的封装，该函数主要是根据file_system_type创建一个super_block，并进行一系列的初始化工作，然后根据该超级块和伪文件系统名（pipefs、sockfs和bdev）在内存中分配一个目录项缓存，将其设置为该超级块的根目录的目录项对象，最后返回目录项：

 
  
   /*
  
  
    * pipefs should _never_ be mounted by userland - too much of security hassle,
  
  
    * no real gain from having the whole whorehouse mounted. So we don't need
  
  
    * any operations on the root directory. However, we need a non-trivial
  
  
    * d_name - pipe: will go nicely and kill the special-casing in procfs.
  
  
    */
  
  
   static struct dentry *pipefs_mount(struct file_system_type *fs_type,
  
  
                int flags, const char *dev_name, void *data)
  
  
   
  
  
       return mount_pseudo(fs_type, "pipe:", &pipefs_ops,
  
  
               &pipefs_dentry_operations, PIPEFS_MAGIC);
  
  
   
  
 

mount_pseudo函数定义如下:

 
  
   /*
  
  
    * Common helper for pseudo-filesystems (sockfs, pipefs, bdev - stuff that
  
  
    * will never be mountable)
  
  
    * 伪文件系统的常用助手（sockfs，pipefs，bdev - 永远不可安装的东西)
  
  
    */struct dentry *mount_pseudo(struct file_system_type *fs_type, char *name,
  
  
       const struct super_operations *ops,
  
  
       const struct dentry_operations *dops, unsigned long magic)
  
  
   
  
  
       struct super_block *s;
  
  
       struct dentry *dentry;
  
  
       struct inode *root;
  
  
       struct qstr d_name = QSTR_INIT(name, strlen(name));
  
  
    
  
  
       s = sget(fs_type, NULL, set_anon_super, MS_NOUSER, NULL);  //调用set_anon_super函数初始化特殊文件系统的超级块；
  
  
       if (IS_ERR(s))
  
  
           return ERR_CAST(s);
  
  
    
  
  
       s->s_maxbytes = MAX_LFS_FILESIZE;
  
  
       s->s_blocksize = PAGE_SIZE;
  
  
       s->s_blocksize_bits = PAGE_SHIFT;
  
  
       s->s_magic = magic;
  
  
       s->s_op = ops ? ops : &simple_super_operations;
  
  
       s->s_time_gran = 1;
  
  
       root = new_inode(s);
  
  
       if (!root)
  
  
           goto Enomem;
  
  
       /*
  
  
        * since this is the first inode, make it number 1. New inodes created
  
  
        * after this must take care not to collide with it (by passing
  
  
        * max_reserved of 1 to iunique).
  
  
        */
  
  
       root->i_ino = 1;
  
  
       root->i_mode = S_IFDIR | S_IRUSR | S_IWUSR;
  
  
       root->i_atime = root->i_mtime = root->i_ctime = CURRENT_TIME;
  
  
       //__d_alloc函数分配一个目录项缓存dcache的入口目录，没有足够内存，则返回NULL，分配成功，则返回一个dentry结构体
  
  
       dentry = __d_alloc(s, &d_name);
  
  
       if (!dentry) 
  
  
           iput(root);
  
  
           goto Enomem;
  
  
       
  
  
       d_instantiate(dentry, root);
  
  
       s->s_root = dentry;    //设置pipefs文件系统根目录的目录项对象，目录项对象操作表
  
  
       s->s_d_op = dops;
  
  
       s->s_flags |= MS_ACTIVE;
  
  
       return dget(s->s_root);  //增加该dentry的引用计数，并返回
  
  
    
  
  
   Enomem:
  
  
       deactivate_locked_super(s);
  
  
       return ERR_PTR(-ENOMEM);
  
  
   
  
 

管道文件系统比较简单，只是一个存在于内存中的文件，因而管道文件系统的超级块操作表比较简单，只定义了两个操作函数，free_inode_nonrcu用于释放inode对象；simple_statfs用于获取pipefs文件系统的状态信息

 
  
   static const struct super_operations pipefs_ops = 
  
  
       .destroy_inode = free_inode_nonrcu,     //用于释放inode对象
  
  
       .statfs = simple_statfs,                //用于获取pipefs文件系统的状态信息
  
  
   ;
  
 

pipefs初始化

接下来看看pipefs文件系统的初始化，主要是进行pipefs的注册，并进行pipefs伪文件系统的装载（没有挂载点）。

 
  
   static int __init init_pipe_fs(void)
  
  
   
  
  
       int err = register_filesystem(&pipe_fs_type);
  
  
    
  
  
       if (!err) 
  
  
           pipe_mnt = kern_mount(&pipe_fs_type);
  
  
           if (IS_ERR(pipe_mnt)) 
  
  
               err = PTR_ERR(pipe_mnt);
  
  
               unregister_filesystem(&pipe_fs_type);
  
  
           
  
  
       
  
  
       return err;
  
  
   
  
  
    
  
  
   fs_initcall(init_pipe_fs);
  
 

以上就是pipefs伪文件系统的一个初始化，挂载过程。接下来看下管道文件具体的IO操作过程。

 
  
   const struct file_operations pipefifo_fops = 
  
  
       .open       = fifo_open,
  
  
       .llseek     = no_llseek,
  
  
       .read       = new_sync_read,
  
  
       .read_iter  = pipe_read,
  
  
       .write      = new_sync_write,
  
  
       .write_iter = pipe_write,
  
  
       .poll       = pipe_poll,
  
  
       .unlocked_ioctl = pipe_ioctl,
  
  
       .release    = pipe_release,
  
  
       .fasync     = pipe_fasync,
  
  
   ;
  
 

new_sync_read函数是一个通用的读函数，其中调用了read_iter的钩子函数，即就是最终还是调用pipe_read函数进行管道的读操作，同理管道的写操作调用pipe_write。那么read和read_iter有什么区别呢？其实在老版本内核中使用read通常每次读取一个缓冲区的内存，若是存在多个缓冲区就需要多次调用read函数。而在新的内核版本中添加了read_iter函数，其是一个聚合读函数，可以同时读取多个缓冲区内容，性能较好。

代码基于Linux 3.18.24