Linux VFS文件系统分析7（基于Linux6.6）---VFS与write接口介绍
一、write接口
write调用和read调用实现的功能类似，唯一不同的为read调用的是vfs_read实现文件读操作，而write调用的是vfs_write实现文件写操作。
write接口实现的内容如下：
1.该接口首先从当前进程的files指针中获取fd对应的文件描述符;
2.若获取文件描述符成功，则调用file_pos_read获取当前文件的offset；
3.调用vfs_write接口，从而调用该文件对应inode节点提供的write接口，实现write操作；
4.调用file_pos_write更新当前文件的offset；
5.调用fdput解除对文件描述符的引用计数。
该接口的实现流程图如下所示，该流程图说明了write接口的实现逻辑。
该接口的代码如下：
fs/read_write.c
ssize_t ksys_write(unsigned int fd, const char __user *buf, size_t count)
{
struct fd f = fdget_pos(fd);
ssize_t ret = -EBADF;
if (f.file) {
loff_t pos, *ppos = file_ppos(f.file);
if (ppos) {
pos = *ppos;
ppos = &pos;
}
ret = vfs_write(f.file, buf, count, ppos);
if (ret >= 0 && ppos)
f.file->f_pos = pos;
fdput_pos(f);
}
return ret;
}
SYSCALL_DEFINE3(write, unsigned int, fd, const char __user *, buf,
size_t, count)
{
return ksys_write(fd, buf, count);
}
该接口中调用了vfs_write，关于vfs_write定义，我们再继续分析。
二、vfs_write接口分析
针对vfs_write接口，其实现的功能有：
1.若文件描述符不存在写取权限，返回失败；
2.若应用层传递的内存指针没有读权限，返回失败；
3.若该文件描述符没有write或aio_write接口，则返回失败；
4.调用rw_verify_area检测是否可对文件进行写取操作（如是否别的进程对文件加锁、要读取的大小是否合法等）；
5.若file->f_op->write接口存在，则调用文件inode的write接口，进行文件读取操作；若不存在，则调用do_sync_write，调用aio_write；
6.调用fsnotify_access，发送文件被读取的通知；
7.增加写字符计数。
fs/read_write.c
ssize_t vfs_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
ssize_t ret;
if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))
return -EBADF;
if (!(file->f_mode & FMODE_CAN_WRITE))
return -EINVAL;
if (unlikely(!access_ok(buf, count)))
return -EFAULT;
ret = rw_verify_area(WRITE, file, pos, count);
if (ret)
return ret;
if (count > MAX_RW_COUNT)
count = MAX_RW_COUNT;
file_start_write(file);
if (file->f_op->write)
ret = file->f_op->write(file, buf, count, pos);
else if (file->f_op->write_iter)
ret = new_sync_write(file, buf, count, pos);
else
ret = -EINVAL;
if (ret > 0) {
fsnotify_modify(file);
add_wchar(current, ret);
}
inc_syscw(current);
file_end_write(file);
return ret;
}
三、应用举例
3.1、VFS 与 write 接口的工作原理
当应用程序调用 write 系统调用时，VFS 层会根据文件描述符的类型，决定如何将数据写入具体的文件或设备。
- 文件描述符：
write操作需要一个已经打开的文件描述符，通常是通过open系统调用获取的。 - VFS 层：
VFS层会将write调用转发给具体的文件系统或设备驱动程序。对于不同类型的文件，VFS 会调用相应的操作方法。 - 文件系统的具体实现：例如，对于普通文件（如 ext4、NTFS），会有
write系统调用的实现；对于设备文件（如/dev/null或/dev/random），则由相应的设备驱动程序处理。
3.2、write 示例应用
以下是几种常见情景下的 write 调用示例，包括写入普通文件、设备文件和网络文件。
1.示例 1：向本地普通文件写入数据
这是一个常见的例子，我们通过 write 向本地普通文件写入数据。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
int main() {
const char *file_path = "/tmp/testfile.txt"; // 假设这是一个文件路径
int fd;
const char *data = "Hello, Linux!\n"; // 要写入的内容
ssize_t bytes_written;
// 打开文件（如果文件不存在，则创建）
fd = open(file_path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1) {
perror("open");
return 1;
}
// 写入数据到文件
bytes_written = write(fd, data, strlen(data));
if (bytes_written == -1) {
perror("write");
close(fd);
return 1;
}
printf("Written %zd bytes to %s\n", bytes_written, file_path);
// 关闭文件描述符
close(fd);
return 0;
}
工作流程：
open系统调用：VFS层识别/tmp/testfile.txt为一个本地文件，并根据文件权限（O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC）将文件打开。此时，VFS会通过具体的文件系统（如ext4）调用文件系统的open函数。write系统调用：write将数据写入文件时，VFS会调用具体文件系统（如ext4）的write函数，最终通过磁盘 I/O 写入数据。- 关闭文件描述符：
close系统调用将释放文件描述符，VFS会调用相应的文件系统实现来释放资源。
2.示例 2：写入设备文件（如 /dev/null）
设备文件是一种特殊类型的文件，写入数据时会根据设备的特性做不同的处理。例如，向 /dev/null 写入任何数据时，数据都会被丢弃。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
const char *dev_path = "/dev/null"; // 特殊设备文件
int fd;
const char *data = "This will be discarded\n"; // 要写入的数据
ssize_t bytes_written;
// 打开设备文件
fd = open(dev_path, O_WRONLY);
if (fd == -1) {
perror("open");
return 1;
}
// 向设备写入数据
bytes_written = write(fd, data, strlen(data));
if (bytes_written == -1) {
perror("write");
close(fd);
return 1;
}
printf("Written %zd bytes to %s (data discarded)\n", bytes_written, dev_path);
// 关闭文件描述符
close(fd);
return 0;
}
工作流程：
open系统调用：VFS层识别/dev/null为设备文件，并将操作传递给null设备驱动。write系统调用：写入的数据会被丢弃，VFS会通过设备驱动的write函数来处理。对于/dev/null设备，数据会直接丢弃，不会做任何存储。- 关闭文件描述符：操作结束后，调用
close来释放文件描述符。
3.示例 3：写入网络文件（如通过 NFS 挂载的文件）
如果你将远程文件系统（如 NFS）挂载到本地，你可以像访问本地文件一样向网络文件写入数据。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
const char *nfs_path = "/mnt/nfs/share/testfile.txt"; // NFS 挂载的路径
int fd;
const char *data = "Hello from NFS!\n"; // 要写入的数据
ssize_t bytes_written;
// 打开远程 NFS 文件
fd = open(nfs_path, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1) {
perror("open");
return 1;
}
// 向 NFS 文件写入数据
bytes_written = write(fd, data, strlen(data));
if (bytes_written == -1) {
perror("write");
close(fd);
return 1;
}
printf("Written %zd bytes to %s (via NFS)\n", bytes_written, nfs_path);
// 关闭文件描述符
close(fd);
return 0;
}
工作流程：
open系统调用：VFS层识别/mnt/nfs/share/testfile.txt为一个网络文件，并将操作转发给 NFS 客户端。write系统调用：通过VFS层，写入操作会发送到远程 NFS 服务器，数据通过网络传输并存储到远程服务器上的文件系统。- 关闭文件描述符：与本地文件一样，操作结束后通过
close来释放文件描述符。
4.示例 4：向 /dev/random 写入数据
/dev/random 是一个只读设备文件，它用于提供高质量的随机数。尝试向其写入数据会导致错误。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main() {
const char *dev_path = "/dev/random"; // 随机数设备
int fd;
const char *data = "This won't be written\n"; // 想要写入的数据
ssize_t bytes_written;
// 打开设备文件
fd = open(dev_path, O_WRONLY); // 以写方式打开
if (fd == -1) {
perror("open");
return 1;
}
// 尝试写入数据（会失败）
bytes_written = write(fd, data, strlen(data));
if (bytes_written == -1) {
perror("write"); // 会报告错误，因为 /dev/random 是只读设备
close(fd);
return 1;
}
printf("Written %zd bytes to %s\n", bytes_written, dev_path);
// 关闭文件描述符
close(fd);
return 0;
}
工作流程：
open系统调用：VFS层识别/dev/random为只读设备，open会失败，因为设备不允许写入。write系统调用：如果应用程序尝试写入数据，write会失败并返回-1，并通过perror显示错误信息。
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