Linux 文件系统中元数据使用计数的机制

在 Linux 文件系统中,元数据的引用计数主要用于管理元数据（如 inode, dentry 结构）在内存中的创建、使用和释放.了解这部分的机制,有利于深入认识文件系统的运行机制,以及Linux如何在内存中管理元数据.这部分内容也是构建分布式文件系统所的知识,由此才能保证元数据在分布式文件系统中的正确使用.

概述

元数据是一个文件系统的重要部分.很多书籍和文章都介绍过 dentry 和 inode 在 Linux 中的作用和机制,但却很少有文献涉及到它们的使用计数（ usage counter ）.使用计数的机制看似很简单：使用了一个元数据就递增,用完了就递减.但在这句简单的描述后面,具体的过程到底是如何进行的呢？这实际上贯穿了整个元数据的操作以及元数据在内存中的管理.了解这部分的机制,是一个很有意思的过程,可以让你看到 Linux 严谨缜密的思路,可以深入认识 Linux 文件系统的运行机制.这部分内容也是构建分布式文件系统所的知识.

本文仍然从两方面来介绍使用计数：增加和减少.再看一下在分布式环境中有哪些变化.

这里所引用的代码依据的是 Linux 内核 2.6.20 的版本.

使用计数的增加

创建操作

元数据的创建主要可以分为对文件的创建和对目录的创建.不管是文件还是目录,它们都对应同样的元数据结构,在内存中都有 inode 和 dentry .

下面我们分别看一下主要的两个创建操作：创建文件和创建目录.

（1）创建文件

创建文件是通过系统调用 sys_open() ,并设置 O_CREATE 标志位来实现的.其调用过程如下：

sys_open() > do_sys_open() > do_filp_open() > open_namei()

在 open_namei() 中,会创建出 dentry 和 inode 结构.先看关于 dentry 的路径：

open_namei() > lookup_hash() > __lookup_hash()

●在 dcache 中查找： __lookup_hash() > cached_lookup() > d_lookup() > __d_lookup()
●分配新的 dentry： __lookup_hash() > d_alloc() > atomic_set(&dentry -> d_count, 1);
●在具体文件系统中查找： __lookup_hash() > i_op -> lookup()
和查找有关的内容我们在后面介绍,这里只看创建,也就 d_alloc() ,它会分配一个新的 dentry 结构,在分配的过程中,就会把 dentry 的使用计数初始化为1.在 d_alloc() 中,还会通过函数 dget() 递增父目录的使用计数,这是为了防止父目录在该 dentry 删除前被删除.（“/”除外,它没有父目录）：

d_alloc() > dget(parent) > atomic_inc(&dentry->d_count);

我们再看关于 inode 的路径：

open_namei() > open_namei_create() > vfs_create() > i_op->create()

最终会调用具体文件系统的 create 函数.这里以 Ext2 为例,其调用过程如下：

ext2_create() > ext2_new_inode() > new_inode() > 

alloc_inode() > atomic_set(&inode->i_count, 1);

具体文件系统在分配 inode 结构的时候,会通过初始化把 inode 的 i_count 域置为1.同时还把 inode 的 i_nlink 域置为1,这个域表示 inode 的 hard link 的数目,其值会被写入到具体文件系统的磁盘中.

总结一下,通过创建操作,会在内存中建立起 dentry 和 inode 结构,并且会把它们的使用计数都初始化为1.

（2）创建目录

创建目录和创建文件是类似的,这里我们简单看一下调用的路径就清楚了.

创建目录是通过系统调用 sys_mkdir() 来实现的.关于 dentry 的路径如下：

sys_mkdir() > sys_mkdirat() > lookup_create() > lookup_hash() > __lookup_hash()

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