linux open函数详解（从源码角度看Linux内核中的open方法）

linux open函数详解（从源码角度看Linux内核中的open方法）// fs/internal.h struct open_flags { int open_flag; umode_t mode; int acc_mode; int intent; int lookup_flags; };// fs/open.c static inline int build_open_flags(int flags umode_t mode struct open_flags *op) { int lookup_flags = 0; int acc_mode = ACC_MODE(flags); ... if (flags & (O_CREAT | __O_TMPFILE)) op->

在linux下，假设我们想打开文件/dev/tty，我们可以使用系统调用open，比如：

int fd = open("/dev/tty" O_RDWR 0);

本文将从源码角度看下，在linux内核中，open方法是如何打开文件的。

首先看下入口函数。

// fs/open.c SYSCALL_DEFINE3(open const char __user * filename int flags umode_t mode) { ... return do_sys_open(AT_FDCWD filename flags mode); }

该方法调用了do_sys_open方法

// fs/open.c long do_sys_open(int dfd const char __user *filename int flags umode_t mode) { struct open_flags op; int fd = build_open_flags(flags mode &op); struct filename *tmp; ... tmp = getname(filename); ... fd = get_unused_fd_flags(flags); if (fd >= 0) { struct file *f = do_filp_open(dfd tmp &op); if (IS_ERR(f)) { ... } else { ... fd_install(fd f); } } ... return fd; }

嵌入式进阶教程分门别类整理好了，看的时候十分方便，由于内容较多，这里就截取一部分图吧。

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该方法大致操作为：

1. 调用build_open_flags方法，初始化struct open_flags实例op。

// fs/internal.h struct open_flags { int open_flag; umode_t mode; int acc_mode; int intent; int lookup_flags; };

// fs/open.c static inline int build_open_flags(int flags umode_t mode struct open_flags *op) { int lookup_flags = 0; int acc_mode = ACC_MODE(flags); ... if (flags & (O_CREAT | __O_TMPFILE)) op->mode = (mode & S_IALLUGO) | S_IFREG; else op->mode = 0; ... op->open_flag = flags; ... op->acc_mode = acc_mode; op->intent = flags & O_PATH ? 0 : LOOKUP_OPEN; ... if (flags & O_DIRECTORY) lookup_flags |= LOOKUP_DIRECTORY; ... op->lookup_flags = lookup_flags; return 0; }

2. 调用getname方法，分配并初始化struct filename实例tmp。

// include/linux/fs.h struct filename { const char *name; /* pointer to actual string */ const __user char *uptr; /* original userland pointer */ int refcnt; struct audit_names *aname; const char iname[]; };

// fs/namei.c struct filename * getname_flags(const char __user *filename int flags int *empty) { struct filename *result; char *kname; ... result = __getname(); // 分配内存 ... kname = (char *)result->iname; result->name = kname; len = strncpy_from_user(kname filename EMBEDDED_NAME_MAX); ... result->refcnt = 1; ... result->uptr = filename; ... return result; } struct filename * getname(const char __user * filename) { return getname_flags(filename 0 NULL); }

3. 调用get_unused_fd_flags方法获取一个未被使用的文件描述符fd。

4. 调用do_filp_open方法，继续执行open操作，并将返回值赋值给类型为struct file的实例指针f。

5. 如果do_filp_open成功，则调用fd_install方法，建立从fd到struct file的对应关系。

6. 返回fd给用户。

我们再继续看下do_filp_open方法。

// fs/namei.c struct file *do_filp_open(int dfd struct filename *pathname const struct open_flags *op) { struct nameidata nd; int flags = op->lookup_flags; struct file *filp; set_nameidata(&nd dfd pathname); filp = path_openat(&nd op flags | LOOKUP_RCU); ... return filp; }

该方法先调用set_nameidata方法，初始化struct nameidata类型实例nd。

// fs/namei.c struct nameidata { struct path path; struct qstr last; struct path root; struct inode *inode; /* path.dentry.d_inode */ unsigned int flags; unsigned seq m_seq; int last_type; unsigned depth; int total_link_count; struct saved { struct path link; struct delayed_call done; const char *name; unsigned seq; } *stack internal[EMBEDDED_LEVELS]; struct filename *name; struct nameidata *saved; struct inode *link_inode; unsigned root_seq; int dfd; } __randomize_layout; static void set_nameidata(struct nameidata *p int dfd struct filename *name) { struct nameidata *old = current->nameidata; p->stack = p->internal; p->dfd = dfd; p->name = name; p->total_link_count = old ? old->total_link_count : 0; p->saved = old; current->nameidata = p; }

再调用path_openat方法继续执行open操作。

// fs/namei.c static struct file *path_openat(struct nameidata *nd const struct open_flags *op unsigned flags) { struct file *file; int error; file = alloc_empty_file(op->open_flag current_cred()); ... if (unlikely(file->f_flags & __O_TMPFILE)) { ... } else { const char *s = path_init(nd flags); while (!(error = link_path_walk(s nd)) && (error = do_last(nd file op)) > 0) { ... } ... } if (likely(!error)) { if (likely(file->f_mode & FMODE_OPENED)) return file; ... } ... return ERR_PTR(error); }

该方法中，先调用alloc_empty_file方法，分配一个空的struct file实例，再调用path_init、link_path_walk、do_last等方法执行后续的open操作，如果都成功了，返回file给上层。

先看下path_init方法。

// fs/namei.c static const char *path_init(struct nameidata *nd unsigned flags) { const char *s = nd->name->name; ... nd->flags = flags | LOOKUP_JUMPED | LOOKUP_PARENT; nd->depth = 0; ... nd->root.mnt = NULL; nd->path.mnt = NULL; nd->path.dentry = NULL; ... if (*s == '/') { set_root(nd); if (likely(!nd_jump_root(nd))) return s; return ERR_PTR(-ECHILD); } ... }

假设我们要open的路径为/dev/tty，该方法在进行一些初始化赋值之后，会调用set_root方法，设置nd->root字段为fs->root，即根目录

// fs/namei.c static void set_root(struct nameidata *nd) { struct fs_struct *fs = current->fs; if (nd->flags & LOOKUP_RCU) { ... do { ... nd->root = fs->root; ... } while (read_seqcount_retry(&fs->seq seq)); } else { ... } }

再调用nd_jump_root方法，设置nd->path字段为nd->root，nd->inode字段为nd->root->d_inode。

// fs/namei.c static int nd_jump_root(struct nameidata *nd) { if (nd->flags & LOOKUP_RCU) { struct dentry *d; nd->path = nd->root; d = nd->path.dentry; nd->inode = d->d_inode; ... } else { ... } nd->flags |= LOOKUP_JUMPED; return 0; }

如果上述方法都没有问题，最后返回s给上层，至此，path_init方法结束。

由上可见，path_init方法主要是用来初始化struct nameidata实例中的path、root、inode等字段。

我们再来看下link_path_walk方法。

// fs/namei.c static int link_path_walk(const char *name struct nameidata *nd) { ... while (*name=='/') name ; ... /* At this point we know we have a real path component. */ for(;;) { u64 hash_len; int type; ... hash_len = hash_name(nd->path.dentry name); type = LAST_NORM; ... nd->last.hash_len = hash_len; nd->last.name = name; nd->last_type = type; name = hashlen_len(hash_len); if (!*name) goto OK; do { name ; } while (unlikely(*name == '/')); if (unlikely(!*name)) { OK: /* pathname body done */ if (!nd->depth) return 0; ... } else { /* not the last component */ err = walk_component(nd WALK_FOLLOW | WALK_MORE); } ... } }

该方法的大致操作为：

1. 跳过开始的‘/’字符。

2. 调用hash_name方法，获取下一个path component的hash和len，并复制给hash_len。

path component就是以‘/’字符分割的路径的各个部分。

3. 将该path component的信息赋值给nd->last字段。

4. 修改name的值，使其指向path的下一个component。

5. 如果下一个component为空，则goto到OK这个label，执行一些操作之后，最后return 0给上层。

6. 如果下一个component不为空，则执行walk_component方法，找到nd->last字段指向的component对应的dentry、inode等信息，并更新nd->path、nd->inode等字段，使其指向新的路径。

以open /dev/tty为例，该方法最终的结果是，更新struct nameidata实例指针nd中的path、inode字段，使其指向路径/dev/，更新nd中的last值，使其为tty。

最后，再来看下do_last方法。

// fs/namei.c static int do_last(struct nameidata *nd struct file *file const struct open_flags *op) { ... if (!(open_flag & O_CREAT)) { ... error = lookup_fast(nd &path &inode &seq); if (likely(error > 0)) goto finish_lookup; ... } else { ... } ... finish_lookup: error = step_into(nd &path 0 inode seq); ... error = vfs_open(&nd->path file); ... return error; }

该方法中，先调用lookup_fast，找路径中的最后一个component，如果成功，就会跳到finish_lookup对应的label，然后执行step_into方法，更新nd中的path、inode等信息，使其指向目标路径。

之后，调用vfs_open方法，继续执行open操作。

最后，返回error给上层，如果成功，error为0。

我们继续看下vfs_open方法。

// fs/open.c int vfs_open(const struct path *path struct file *file) { file->f_path = *path; return do_dentry_open(file d_backing_inode(path->dentry) NULL); }

该方法又调用了do_dentry_open方法。

// fs/open.c static int do_dentry_open(struct file *f struct inode *inode int (*open)(struct inode * struct file *)) { ... f->f_inode = inode; ... f->f_op = fops_get(inode->i_fop); ... if (!open) open = f->f_op->open; if (open) { error = open(inode f); ... } f->f_mode |= FMODE_OPENED; ... return 0; ... }

该方法中，设置f->f_op的值为inode->i_fop，由于参数open为null，所以open也被重新赋值为f->f_op->open，即 inode->i_fop->open，之后再调用该open方法，继续执行open逻辑。

那inode->i_fop的值又是在哪里设置的呢？

// fs/inode.c void init_special_inode(struct inode *inode umode_t mode dev_t rdev) { inode->i_mode = mode; if (S_ISCHR(mode)) { inode->i_fop = &def_chr_fops; inode->i_rdev = rdev; } else if (S_ISBLK(mode)) { inode->i_fop = &def_blk_fops; inode->i_rdev = rdev; } else if (S_ISFIFO(mode)) inode->i_fop = &pipefifo_fops; else if (S_ISSOCK(mode)) ; /* leave it no_open_fops */ else printk(KERN_DEBUG "init_special_inode: bogus i_mode (%o) for" " inode %s:%lu\n" mode inode->i_sb->s_id inode->i_ino); } EXPORT_SYMBOL(init_special_inode);

由上可见，是在init_special_inode方法里设置的。

由于/dev/tty是character device，所以i_fop的值为def_chr_fops。

// fs/char_dev.c const struct file_operations def_chr_fops = { .open = chrdev_open .llseek = noop_llseek };

它对应的open方法为chrdev_open。

// fs/char_dev.c static int chrdev_open(struct inode *inode struct file *filp) { const struct file_operations *fops; struct cdev *p; ... p = inode->i_cdev; if (!p) { struct kobject *kobj; ... kobj = kobj_lookup(cdev_map inode->i_rdev &idx); ... new = container_of(kobj struct cdev kobj); ... /* Check i_cdev again in case somebody beat us to it while we dropped the lock. */ p = inode->i_cdev; if (!p) { inode->i_cdev = p = new; ... } ... } ... fops = fops_get(p->ops); ... replace_fops(filp fops); if (filp->f_op->open) { ret = filp->f_op->open(inode filp); ... } return 0; ... }

该方法先调用kobj_lookup方法，在cdev_map中找对应的cdev，找到之后把结果赋值给p。之后获取p->ops的值，赋值给fops，再之后替换filp->f_op字段的值为fops，最后检查filp->f_op的值中是否包含open方法，如果有，则调用该方法继续执行open逻辑。

我们先看下/dev/tty对应的cdev是在哪把自己注册到cdev_map里的。

// drivers/tty/tty_io.c int __init tty_init(void) { ... cdev_init(&tty_cdev &tty_fops); if (cdev_add(&tty_cdev MKDEV(TTYAUX_MAJOR 0) 1) || register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR 0) 1 "/dev/tty") < 0) panic("Couldn't register /dev/tty driver\n"); ... return 0; }

该方法先调用cdev_init，初始化tty_cdev，并将其ops字段设置为tty_fops，然后调用cdev_add、register_chrdev_region方法，注册这个cdev到cdev_map。

由上可知，/dev/tty对应的cdev就是tty_cdev，而cdev->ops就是tty_fops。、

// drivers/tty/tty_io.c static const struct file_operations tty_fops = { .llseek = no_llseek .read = tty_read .write = tty_write .poll = tty_poll .unlocked_ioctl = tty_ioctl .compat_ioctl = tty_compat_ioctl .open = tty_open .release = tty_release .fasync = tty_fasync .show_fdinfo = tty_show_fdinfo };

由上可见，cdev->ops->open对应的方法就是tty_open，即/dev/tty的最终open逻辑。

由于此部分逻辑和open系统调用关联不是很大，在此略过。

至此，整个open逻辑就已分析完毕。

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