Linux文件系統(tǒng)的異步I/O擴(kuò)展

本文中要介紹一個(gè)所謂的Linux 文件系統(tǒng)的守護(hù)神，這是指一個(gè)能實(shí)時(shí)地觀察 Linux 文件系統(tǒng)的變化情況的程序模塊。

　　能夠?qū)崟r(shí)的觀察文件系統(tǒng)的變化情況，并做出及時(shí)的適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，這對(duì)于應(yīng)用 Linux 做桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說，是十分的有趣，也是十分的重要的。本文還要介紹 Linux 文件系統(tǒng)的異步 I/O 的擴(kuò)展。同樣，這對(duì)于 Linux 系統(tǒng)的桌面應(yīng)用也是關(guān)鍵的。

　　1 Linux 文件系統(tǒng)的守護(hù)神

　　傳統(tǒng)的 Linux 文件系統(tǒng)呈現(xiàn)給用戶程序的界面，確實(shí)是十分的干凈利落。用戶程序可以打開一個(gè)文件，向文件中線性的寫入數(shù)據(jù)，從文件的某一位置開始，線性的讀出數(shù)據(jù)，關(guān)閉一個(gè)文件，刪除一個(gè)文件，創(chuàng)建一個(gè)文件，等等。請(qǐng)看，只有這么若干個(gè)簡潔的操作原語，可是卻能提供這么多豐富的應(yīng)用。但是，我們注意到，用于訪問 Linux 的文件系統(tǒng)的這些操作原語，并沒有提供非常復(fù)雜的加鎖解鎖的功能。這是一件很奇妙的事情，如果來自不同的用戶程序的請(qǐng)求發(fā)生了沖突怎么辦呢?

　　我們不妨走的再靠近一點(diǎn)，仔細(xì)的看看刪除一個(gè)文件是怎樣進(jìn)行的。如果已經(jīng)有一個(gè)用戶程序在訪問一個(gè)文件，而另外一個(gè)用戶程序正好要?jiǎng)h除這一個(gè)文件，這時(shí)會(huì)發(fā)生些什么呢?我們知道，Linux 的文件系統(tǒng)是基于所謂的 inode 的，每個(gè)文件都相伴有一個(gè) inode。在 inode 中記錄了關(guān)于這個(gè)文件的一些系統(tǒng)信息，比如文件的所有者，文件相關(guān)的一些權(quán)限記錄，關(guān)于文件的若干個(gè)時(shí)間戳，等等。在內(nèi)存中的 inode 還維持著一個(gè)關(guān)于自己的使用計(jì)數(shù)。每當(dāng)一個(gè) inode 所代表的文件被打開一次，這個(gè) inode 就把關(guān)于自己的使用計(jì)數(shù)加一。每當(dāng)這個(gè) inode 所代表的文件一被關(guān)閉，這個(gè) inode 就把關(guān)于自己的使用計(jì)數(shù)減一。當(dāng)用戶程序刪除一個(gè)文件的時(shí)候，相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用很快就返回到這個(gè)用戶程序，告訴它，相應(yīng)的文件已經(jīng)被刪除了。但是相應(yīng)的 inode 還是保留在系統(tǒng)中，inode 首先要檢查自己的使用計(jì)數(shù)，如果使用計(jì)數(shù)為零，那么 Linux Kernel 才可以真正的去刪除這個(gè)文件。如果使用計(jì)數(shù)大于零，也就是說，還有其它的用戶程序在訪問這一個(gè)文件，那么 Linux Kernel 需要等待這些其他的用戶程序一個(gè)個(gè)都完成對(duì)這一個(gè)文件的訪問才行。也就是說，要等到這個(gè) inode 的使用計(jì)數(shù)掉到零，才能真正的去刪除這一個(gè)文件。

　　我們可以設(shè)想一下，如果有一個(gè) MP3 播放程序在播放一首 MP3 音樂，我們覺得它不好聽，就到硬盤上找到這個(gè)文件，把它 rm 掉了。這時(shí)候，MP3 播放程序并不受到影響，還是可以繼續(xù)播放這首 MP3 音樂，雖然這時(shí)候在文件系統(tǒng)上用 ls 已經(jīng)找不到這個(gè) MP3 音樂文件了。實(shí)際上，一直要到 MP3 播放程序停止播放這首 MP3 音樂，然后 Linux 文件系統(tǒng)才真正的從硬盤上刪除這個(gè) MP3 文件。這個(gè)經(jīng)驗(yàn)和我們?cè)?Windows 平臺(tái)上遇到的截然不同。

　　在 Windows 平臺(tái)上，當(dāng)我們?cè)噲D在文件夾窗口中用鼠標(biāo)點(diǎn)擊右鍵菜單刪除 Winamp 正在播放的一首 MP3 音樂的時(shí)候，Windows 系統(tǒng)會(huì)用一個(gè)彈出對(duì)話框告訴我們，這個(gè)文件正在被使用，沒辦法刪除。Windows 系統(tǒng)的關(guān)于刪除文件的這樣一個(gè)解釋，如果使用不當(dāng)?shù)脑?，?huì)帶來一個(gè)滑稽可笑的問題。我們可以設(shè)想一下，用戶的一個(gè) P2P 的文件共享程序提供了一個(gè) MP3 文件以供別人下載，恰巧這個(gè) MP3 音樂文件十分的熱門，不斷的有人來下載，這個(gè)用戶最終決定要節(jié)省一下帶寬，想要把這個(gè) MP3 音樂文件刪除掉，但是 Windows 系統(tǒng)卻不允許用戶這樣做，因?yàn)檫@個(gè) P2P 的文件共享程序總是在使用這個(gè) MP3 文件。用戶要想刪除這個(gè)文件，不得不先把 P2P 的文件共享程序給停下來!

　　但是 Linux 的文件系統(tǒng)的操作原語也有它自己的問題。我們知道，在一個(gè) Linux Shell 的命令行上，先 rm，然后再 ls，非常的干凈，被 rm 的文件沒有了，被刪除了。但是我們可以設(shè)想有一個(gè)圖形界面的文件管理程序，當(dāng)用戶從 Shell 的命令行上 rm 掉一個(gè)文件的時(shí)候，這個(gè)圖形界面的文件管理程序并沒有收到任何人發(fā)給它的任何消息，它還以為什么都沒有發(fā)生，被刪除掉的文件還在那兒。這實(shí)在是很 U.G.L.Y. 啊。

　　上面這一小段例程，對(duì)于熟悉 Linux 系統(tǒng)編程的讀者朋友們來說，是很容易理解的。程序首先注冊(cè)一個(gè)信號(hào)處理例程，然后通知 Kernel，我要觀察 fd 上的 DN_MODIFY 和 DN_CREATE 和 DN_MULTISHOT 事件。(關(guān)于這些事件的詳細(xì)定義，請(qǐng)讀者朋友們參閱文后所列的參考資料。) Linux Kernel 收到這個(gè)請(qǐng)求后，把相應(yīng)的 fd 的 inode 給做上記號(hào)，然后 Linux Kernel 和用戶應(yīng)用程序就自顧自去處理各自的別的事情去了。等到 inode 上發(fā)生了相應(yīng)的事件，Linux Kernel 就把信號(hào)發(fā)給用戶進(jìn)程，于是開始執(zhí)行信號(hào)處理例程，用戶程序?qū)ξ募到y(tǒng)上的變化也就可以及時(shí)的做出反應(yīng)了。而在這整個(gè)過程中，系統(tǒng)以及用戶程序的正常運(yùn)行基本上未受到性能上的影響。這里還需要說明的是，dnotify 并沒有通過增加新的系統(tǒng)調(diào)用來完成它的功能，而是通過 fcntl 來完成任務(wù)的。增加一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，相對(duì)來說是一個(gè)很大的手術(shù)，而且如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，處理得不好的話，傷疤會(huì)一直留在那里，這是 Linux Kernel 的開發(fā)者們所非常不愿意見到的事情。