05 ext2文件系统IO流程：创建文件create

创建文件是文件系统的基本操作，之前在介绍Linux文件系统VFS时，说过创建文件会调用inode操作表中的create()函数，那create函数具体应该如何实现呢？

文件系统在创建文件时，VFS会调用父目录目录的create()函数，在这个函数中要完成具体的文件创建，以ext2文件系统为例，ext2注册的创建文件的函数指针是ext2_create，在ext2文件系统创建文件，一般包括以下几个步骤：

新建一个inode对象
设置inode的文件操作表
标记inode为脏，等待写入到磁盘
在父目录的页缓存中，写入目录项数据，指向新建的inode
建立缓存dentry和inode关系

// namei.c
const struct inode_operations ext2_dir_inode_operations = {
    .create	= ext2_create,
    ......
};

// 注意：函数参数dentry就是当前文件，在内存中的目录项，也就是说在调用ext2_create函数之前，内存中的目录项已经创建完成
static int ext2_create (struct user_namespace * mnt_userns,
			struct inode * dir, struct dentry * dentry,
			umode_t mode, bool excl)
{
	struct inode *inode;
	int err;

	......

	inode = ext2_new_inode(dir, mode, &dentry->d_name); // ① 新建inode
	if (IS_ERR(inode))
		return PTR_ERR(inode);

	ext2_set_file_ops(inode); // ②设置操作表
	mark_inode_dirty(inode);  // ③ 标记脏inode，待写入磁盘
	return ext2_add_nondir(dentry, inode); // ④ 写入目录项
}

一、新建inode对象

新建inode对象时，除了创建inode内存结构，还要写入inode的磁盘结构，所以那就要涉及查找inode位图和inode表。所以，在新建inode之前，要找到新的inode所在的块组，找到对应块组描述符，这样就能获取到inode位图和inode表的位置，为后面的写入做好准备。新建inode的，详细流程如下：

1.寻找合适的块组

注意ext2_new_inode()是新建Inode对象函数，创建目录时，也会调用此函数，所以在寻找合适块组时，要区分是目录还是文件，对于目录类型将会在创建目录章节讲解，此处只介绍创建如何寻找所属块组。创建文件寻找块组时，一共涉及三个算法：

① 优先使用父目录所在块组
② 如果父目录所在块组已满，那么使用二次hash（Quadratic Hash）方式寻找
③ 如果还未找到，就采用线性查找，从父目录所在组开始循环，循环所有块组，直到找到为止

这里说一下二次Hash，首先用父母所在组+父目录ino，然后除以总组数取余，作为循环的起点，然后每次循环跳动不长是i<<1，也就是下标乘以2，这样好处是，可以保证同一个目录下的文件，可以放到同一个新的组，并且散列冲突较小。

// ialloc.c
static int find_group_other(struct super_block *sb, struct inode *parent)
{
    int parent_group = EXT2_I(parent)->i_block_group;
    int ngroups = EXT2_SB(sb)->s_groups_count;
    struct ext2_group_desc *desc;
    int group, i;

    ......

    // Quadratic Hash
    group = (group + parent->i_ino) % ngroups;
    for (i = 1; i < ngroups; i <<= 1) {
        group += i;
        if (group >= ngroups)
            group -= ngroups;
        desc = ext2_get_group_desc (sb, group, NULL);
        if (desc && le16_to_cpu(desc->bg_free_inodes_count) &&
            le16_to_cpu(desc->bg_free_blocks_count))
            goto found;
    }

    ......

    return -1;

found:
    return group;
}

2.从块位图获取0位置

第1步获取到块组后，就可以找到找到块组描述符（sbi->s_group_desc），找到描述符后，就能获取inode位图所在的块号（desc->bg_inode_bitmap），这样通过buffer的sb_bread()函数，就能从设备上读取inode位图信息：

// read_inode_bitmap()
bh = sb_bread(sb, le32_to_cpu(desc->bg_inode_bitmap));

获取到位图之后，接下来就是寻找0位置，调用的是内核函数find_next_zero_bit_le(），也就是位图处理函数，找到位置之后，将此位置记录下来，同时设置成1，表示已占用。

// ialloc.c

ino = ext2_find_next_zero_bit((unsigned long *)bitmap_bh->b_data,
        EXT2_INODES_PER_GROUP(sb), ino);

static inline unsigned long find_next_zero_bit_le(const void *addr,
        unsigned long size, unsigned long offset)
{
    return find_next_zero_bit(addr, size, offset);
}

static inline int test_and_set_bit_le(int nr, void *addr)
{
	return test_and_set_bit(nr ^ BITOP_LE_SWIZZLE, addr);
}

缓冲区操作之后，要标记脏块，便于后面自动同步到设备

mark_buffer_dirty(bitmap_bh); // 标记脏的inode位图块
mark_buffer_dirty(bh2); // 标记脏的块组描述符

3.填充inode，然后写入

填充vfs的inode和内存中ext2_inode_info两个对象，填充完毕后，标记脏inode，总体逻辑比较清晰，这里不做赘述。

// ialloc.c

inode->i_ino = ino;
inode->i_blocks = 0;
inode->i_mtime = inode->i_atime = inode->i_ctime = current_time(inode);
memset(ei->i_data, 0, sizeof(ei->i_data));
.....
ei->i_block_alloc_info = NULL;
ei->i_block_group = group;
ei->i_dir_start_lookup = 0;
ei->i_state = EXT2_STATE_NEW;
.....
err = dquot_initialize(inode);
err = dquot_alloc_inode(inode);
err = ext2_init_acl(inode, dir);
err = ext2_init_security(inode, dir, qstr);


mark_inode_dirty(inode);

二、设置inode操作表，然后标记脏inode

普通文件的inode的操作表一共有三项：

① i_op：inode操作相关（不重要，主要使用父目录的inode操作）
② i_fop：文件对象操作相关（不重要，主要使用父目录的文件操作）
③ i_mapping->a_ops：文件数据对应的地址空间映射操作表，也就是文件数据页缓存操作函数（重要）

// ialloc.c
void ext2_set_file_ops(struct inode *inode)
{
    inode->i_op = &ext2_file_inode_operations;
    inode->i_fop = &ext2_file_operations;
    if (IS_DAX(inode))
        inode->i_mapping->a_ops = &ext2_dax_aops;
    else if (test_opt(inode->i_sb, NOBH))
        inode->i_mapping->a_ops = &ext2_nobh_aops;
    else
        inode->i_mapping->a_ops = &ext2_aops;
}

mark_inode_dirty(inode);

三、写入文件目录项

创建文件还有一项重要工作，就是写入文件目录项到数据块，也就是要建立与父目录关系。写入目录项时，要寻找到相应位置，由于目录项是按顺序写入的，并且每个长度不一样，所以寻找到准确位置非常重要，并且涉及到页缓存操作，代码逻辑复杂度较高，尤其是寻找合适的位置，这里分析一下主要流程：

① 获取父目录所有页缓存
② 从页缓存开始，寻找合适的位置：是否有同名目录项（直接退出）、是否有空目录项（可以复用）、是否有空间过大的目录项（分配的空间>需要的空间+待写入目录项，这样插入到空档）
③ 如果以上没寻找到，就按顺序在末尾写入

四、建立目录项和inode关系

经过前面三个步骤，inode已经创建，目录项也创建完成，并且持久化了到磁盘，最后一步就是建立内存的dentry和inode关系，调用的函数是d_instantiate_new()，主要动作就是设置dentry->d_inode域，指向新创建的inode。

// namei.c
static inline int ext2_add_nondir(struct dentry *dentry, struct inode *inode)
{
    int err = ext2_add_link(dentry, inode);
    if (!err) {
        d_instantiate_new(dentry, inode);
        return 0;
    }
    inode_dec_link_count(inode);
    discard_new_inode(inode);
    return err;
}

至此，创建文件IO流程全部结束。

前置博客：03 ext2文件系统物理结构剖析

内核版本：5.16.7

内核文档：https://docs.kernel.org/filesystems/index.html