【Linux】路径查找-path lookup

在Linux VFS（虚拟文件系统）中，路径查找（Path Lookup） 是最常见的操作之一。路径查找的主要作用是将用户空间中的路径名转换为内核中对应的dentry对象，为系统调用提供支持。每次涉及文件系统的系统调用（如open、read、write等），都会通过路径查找来解析文件路径，以找到最终需要的dentry对象。

1. 路径查找的基本步骤

路径查找的过程是逐层解析路径名中的每个组件（用/分隔的子字符串），直到找到表示目标文件或目录的dentry为止，这个dentry称为最终dentry（final dentry）。路径查找包含以下几个主要步骤：

1. 创建nameidata对象：每次路径查找都会创建一个nameidata对象，用于存储中间查找结果，包括当前路径的dentry和状态信息。
2. 初始化起点：查找路径的起始dentry取决于路径名的首字符。如果路径名以/开头，则查找从进程的根目录dentry开始；否则，从进程的当前工作目录dentry开始。
3. 逐层查找路径组件：内核依次查找路径名中的每个组件。在每级查找中，内核通过比较名称，将该组件与上一级dentry的子项名称进行匹配。
4. 缓存结果：每找到一个dentry，内核会将其保存在nameidata对象中，以加速后续查找。
5. 完成查找：路径查找完成后，调用complete_walk函数结束查找过程，返回查找状态。

2. 路径查找中的特殊情况

在路径查找过程中，内核需要处理一些特殊情况，例如符号链接（symlink）和挂载点（mount point）：

• 符号链接（Symlink）：如果在路径查找中遇到一个符号链接，系统会调用trailing_symlink函数来解析符号链接，并将其指向的路径插入到当前路径查找中，继续解析。
• 挂载点（Mount Point）：如果dentry表示一个挂载点，查找过程会通过挂载树中的mount结构，切换到挂载文件系统的根目录dentry，并从该目录继续查找。

3. 路径查找的两大关键元素

路径查找过程的成功与否主要取决于两个关键因素：起始点和挂载点。

• 起始点：查找的起始点可能是根目录或当前工作目录，取决于路径名的首字符。对于通过chroot（改变根目录）系统调用更改过根目录的进程，路径查找的起始点也会随之改变，从而影响查找结果。
• 挂载点和命名空间：挂载点可能因命名空间不同而表现不同。若进程所在的命名空间不同，则路径查找中的挂载点也会有所不同，导致相同路径在不同的命名空间中返回不同的查找结果。

4. 路径查找示意图

下面的示意图可以帮助理解路径查找过程如何解析路径组件，并逐步定位到最终dentry对象：

起点: [根目录dentry]    ----> /home/user/docs/file.txt
                           |
                           v
                 [ / ] (根dentry)
                           |
                           |
                 [ home ] (dentry)
                           |
                           |
                [ user ] (dentry)
                           |
                           |
                [ docs ] (dentry)
                           |
                           |
                [ file.txt ] (最终dentry)

在该示例中：

1. 起始dentry是根目录dentry，因为路径以/开头。
2. 内核逐层解析路径的每个组件home -> user -> docs -> file.txt，在每级查找时比较当前目录中的文件名，找到匹配的dentry。
3. 每找到一个组件对应的dentry，就将其保存到nameidata对象中。
4. 最终找到目标dentry file.txt，即路径查找的终点。

5. 路径查找的优化

路径查找在VFS中的频率极高，Linux内核通过以下优化手段来加速路径查找：

• Dentry缓存：系统会缓存最近访问的dentry对象，以减少重复查找的成本。
• 路径预解析：内核会预先解析已知路径，将其保存在高速缓存中，缩短未来查找的时间。

总结

路径查找是Linux文件系统中一个频繁且重要的操作。通过路径查找，Linux内核能够高效地将用户提供的路径名转换为内核中的dentry结构。路径查找过程中的起始点和挂载点是影响查找结果的两个关键因素，内核通过符号链接和挂载树等机制处理路径中的特殊情况，使得路径查找可以在复杂的文件系统环境中高效、准确地工作。