Linux内核学习

本文主要目的是学习并归纳Linux操作系统中内核的几个基本重要知识

进程

• 一个进程在地址空间中执行一个单独的指令序列

地址空间是允许进程引用的内存空间的集合，操作系统允许具有多个执行流的进程，即在相同的地址空间可执行多个指令序列。
进程能并发活动，竞争的系统资源主要是CPU
区分程序和进程：

• 几个进程能并发执行同一个程序，同时，同一进程能顺序执行多个程序

现在的CPU处理器一般都是多核CPU，可通过任务管理器查看。而在单处理器系统上，只有一个进程能占用CPU。因此，在某时刻，只能有一个执行流。
CPU有多少个，就有多少个进程可同时执行。选择哪个进程执行由操作系统的调度程序决定，进程分为抢占式进程和非抢占式进程。
对于抢占式进程，只有进程自愿放弃CPU，调度程序才会被调用；
对于非抢占式进程，如多用户系统中的进程调度，操作系统记录下每个进程占优的CPU时间，并周期性地激活调度程序。

为了标识一个特定的文件，进程使用路径名，路径名由斜杠及一列指向文件的目录名交替组成。若路径名第一个字符是斜杠那么该路径就为绝对路径，因为其起点是根目录。若第一项是目录名或文件名，那么路径就是相对路径，因为其起点是进程的当前目录。

Linux文件与目录

操作系统为了解决信息能独立于进程之外被长期存储，而引入了文件。

• 文件作为进程创建信息的逻辑单元，可被多个进程并发使用
  在Unix系统中，操作系统为磁盘上的文本与图像、鼠标与键盘等输入设备及网络交互等I/O操作设计了一组通用的API，使他们被处理时均可统一使用字节流。
• Lniux系统中除进程外的一切都是文件，为了便于文件管理而引入目录，这使Linux文件系统形成了一个层级结构的目录树。

Linux系统顶层目录结构
/ 根目录
├── bin 存放用户二进制文件
├── boot 存放内核引导配置文件
├── dev 存放设备文件
├── etc 存放系统配置文件
├── home 用户主目录
├── lib 动态共享库
├── lost+found 文件系统恢复时的恢复文件
├── media 可卸载存储介质挂载点
├── mnt 文件系统临时挂载点
├── opt 附加的应用程序包
├── proc 系统内存的映射目录，提供内核与进程信息
├── root root 用户主目录
├── sbin 存放系统二进制文件
├── srv 存放服务相关数据
├── sys sys 虚拟文件系统挂载点
├── tmp 存放临时文件
├── usr 存放用户应用程序
└── var 存放邮件、系统日志等变化文件

• Linux系统并不区分文件和目录，目录是记录其他文件名的文件
• Linux将设备当做文件处理

打开并读取设备文件

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int fd; 
struct input_event ie; 
fd = open("/dev/input/event3", O_RDONLY); 
read(fd, &ie, sizeof(struct input_event)); 
printf("type = %d  code = %d  value = %d\n", 
		 ie.type, ie.code, ie.value); 
close(fd);

其展示了如何打开设备文件event3并读取文件内容，文件event3表示一直输入设备，其可能是鼠标或键盘，通过查看 /proc/bus/input/devices 可知 event3 对应设备的类型。设备文件 /dev/input/event3 使用 read() 以字符流的方式被读取。结构体 input_event 被定义在内核头文件 linux/input.h 中。

• 文件都有文件名和数据，在Linux上被分成两部分：用户数据与元数据
• 用户数据：文件数据块（data block)，数据块是记录文件内容的地方
• 元数据：文件的附加属性，即文件大小、创建时间及所有者等信息。

在Linux中，元数据中的inode号为索引节点号，是文件的唯一标识。而文件名是为了方便人们记忆和使用，系统或程序是通过inode号来寻找正确的文件数据块。

• 查看inode号使用stat或ls -i命令

硬链接&软链接

链接不仅解决了Linux系统文件的共享使用，而且带来了隐藏文件路径、增加权限安全及节省存储等好处。

• 硬链接：一个inode号对应多个文件名
  文件A是文件B的硬链接，则A的目录项中的索引inode节点号与B的目录项中的inode节点相同，即同一个inode节点对应不同的文件名，两个文件名指向同一文件，A和B对于文件系统来说是完全等同的。

• 特点

  文件有相同的 inode 及 data block
  只能对已存在的文件进行创建
  不能交叉文件系统进行硬链接的创建
  不能对目录进行创建，只可对文件创建
  删除一个硬链接文件并不影响其他有相同 inode 号的文件

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$ touch test
$ echo "This is a test." > test
$ cat test 
This is a test.
$ ln test filetxt
$ ls -li
total 8
809185 -rw-rw-r-- 2 wonderxiao wonderxiao 16 10月 13 20:42 filetxt
809185 -rw-rw-r-- 2 wonderxiao wonderxiao 16 10月 13 20:42 test

其中，809185是文件的inode值，你可简单将文件看作C语言的指针，它指向物理硬盘的一个区块。事实上，文件系统会维护一个引用计数，只要有文件指向这个区块，它就不会从硬盘上消失。

inode 是随着文件的存在而存在，因此只有当文件存在时才可创建硬链接，即当 inode 存在且链接计数器不为 0 时。

若修改刚才创建的filetxt文件：

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$ echo "New one" >> filetxt                  
$ cat test 
This is a test.
New one

可看到，这两个就如同一个文件一样，inode值一样，都指向同一个区块。

软链接——符号链接

文件用户数据块中存放的内容是另一文件的路径名的指向，则该文件就是软连接。软链接就是一个普通文件，只是数据块内容有点特殊。软链接有着自己的 inode 号以及用户数据块,因此软链接的创建与使用没有类似硬链接的诸多限制。

• 特点

  软链接有自己的文件属性及权限等
  可对不存在的文件或目录创建软链接
  软链接可交叉文件系统
  软链接可对文件或目录创建
  创建软链接时，链接计数 i_nlink 不会增加
  删除软链接并不影响被指向的文件，但若被指向的原文件被删除，则相关软连接被称为死链接

链接的访问

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$ ln -s filetxt softtxt
$ ls -li
total 8
809185 -rw-rw-r-- 2 wonderxiao wonderxiao 24 10月 13 21:11 filetxt
809068 lrwxrwxrwx 1 wonderxiao wonderxiao  7 10月 13 21:14 softtxt -> filetxt
809185 -rw-rw-r-- 2 wonderxiao wonderxiao 24 10月 13 21:11 test

这个软链接的inode值不一样了，且文件属性为1，说明刚才创建的软链接文件根本不是同一类型。

若删除filetxt文件，然后输出软硬链接文件内容：

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$ rm filetxt
$ cat test
This is a test.
New one

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$ cat softtxt
cat: softtxt: No such file or directory

之前硬链接没有任何影响，这是由于其inode所指向的区块有一个硬链接在指向它，所以此区块仍然有效，可继续访问。而软链接的inode所指向的内容实际上保存的是一个绝对路径，当用户访问这个文件时，即访问的是这个文件路径所在的文件。此时，这个文件已被删除，所以找不到它。

• 软链接：保存其代表的绝对路径，是另外一个文件，在硬盘上有独立的块，访问时会替换自身路径。
• 硬链接：代表的是文件的副本

  Linux VFS

  Linux有极其丰富的文件系统，可分为：
• 网络文件系统，如nfs、cifs等
• 磁盘文件系统，如ext4、ext3等
• 特殊文件系统，如proc、sysfs、ramfs、tmpfs等

这些文件系统系统在Linux下共存的基础是Linux VFS(Virtual File System)，VFS作为一个通用的文件系统，抽象定义了文件系统的四个基本概念：

• 文件
• 目录项
• 索引节点
• 挂载点

其在内核中，为用户空间层的文件系统提供了相关接口，即VFS实现了open()、read()等系统调用的函数，这就真正实现：在Linux系统中，除进程外一切都是文件。

VFS在系统中架构

VFS存在四个基本对象：

• 超级块对象(superblock object)
  一个已安装的文件系统
• 索引节点对象(inode object)
  一个文件
• 目录项对象(dentry object)
  一个目录项，如设备文件event3在路径/dev/input/event3中，存在四个目录项对象：/、dev/、input/及event3。
• 文件对象(file object)
  代表进程打开的文件

这四个对象与进程及磁盘文件间的关系如下图：

其中，d_inode为硬链接，是文件路径的快速解析。同时，Linux VFS设计了目录项缓存dcache。

在Linux中，索引节点结构存在于系统内存及磁盘中，其可分为VFS inode与实际文件系统的inode。VFS inode是作为实际文件系统中inode的抽象。

VFS中inode与inode_operations结构体

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struct inode { 
    ... 
    const struct inode_operations   *i_op; // 索引节点操作
    unsigned long           i_ino;      // 索引节点号
    atomic_t                i_count;    // 引用计数器
    unsigned int            i_nlink;    // 硬链接数目
    ... 
 } 
 struct inode_operations { 
    ... 
    int (*create) (struct inode *,struct dentry *,int, struct nameidata *); 
    int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *); 
    int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *); 
    int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *); 
    int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,int); 
    int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *); 
    ... 
 }

每个文件存在两个计数器：

• i_count:引用计数,用于跟踪文件被访问的数量,或者说 i_count 跟踪文件在内存中的情况
• i_nlink:硬链接计数,使用 ls -l 等命令查看到的文件硬链接数,即是磁盘计数器。当文件被删除时，则 i_nlink 先被设置成 0。

文件的这两个计数器使得 Linux 系统升级或程序更新变的容易。系统或程序可在不关闭的情况下（即文件 i_count 不为 0），将新文件以同样的文件名进行替换，新文件有自己的 inode 及 data block，旧文件会在相关进程关闭后被完整的删除。

文件系统 ext4 中的 inode

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struct ext4_inode { 
    ... 
    __le32  i_atime;        // 文件内容最后一次访问时间
    __le32  i_ctime;        // inode 修改时间
    __le32  i_mtime;        // 文件内容最后一次修改时间
    __le16  i_links_count;  // 硬链接计数
    __le32  i_blocks_lo;    // Block 计数
    __le32  i_block[EXT4_N_BLOCKS];  // 指向具体的 block 
    ... 
 };

其中三个时间的定义可对应与命令 stat 中查看到三个时间。i_links_count 不仅用于文件的硬链接计数，也用于目录的子目录数跟踪（目录并不显示硬链接数，命令 ls -ld 查看到的是子目录数）。由于文件系统 ext3 对 i_links_count 有限制，其最大数为：32000（该限制在 ext4 中被取消）。

总结

本文描述了 Linux 系统中文件与目录被引入的原因及 Linux 处理文件的方式，然后我们通过区分硬链接与软链接的不同，了解 Linux 中的索引节点的相关知识，并以此引出了 inode 的结构体。索引节点结构体存在在于 Linux VFS 以及实际文件系统中，VFS 作为通用文件模型是 Linux 中“一切皆是文件”实现的基础。文章并未深入 Linux VFS，也没涉及实际文件系统的实现，文章只是从 inode 了解 Linux 的文件系统的相关内容。