目录项dentry

在 Linux 中，目录项（通常称为 dentry，是 "directory entry" 的缩写）是一个核心的内核内存数据结构，属于虚拟文件系统层的一部分。

磁盘上的文件系统（ext4, XFS, Btrfs, FAT, NTFS 等）有自己独特的、优化过的格式来存储目录项信息（文件名、对应的 inode 号等）。例如：

• ext4：使用哈希树 (HTree) 或传统的线性列表+哈希表存储目录项。

• XFS：使用 B+树存储目录项。

• FAT：使用文件分配表簇链和目录项表。

当内核需要读取一个目录的内容时：

• 底层文件系统驱动 (如 ext4.ko, xfs.ko) 负责从磁盘读取原始的目录块/节点。
• VFS 层根据这些原始数据，在内存中创建对应的 dentry 结构（及其关联的 inode 结构）。
• 这些 dentry 结构被链接起来（通过 d_parent, d_subdirs, d_children），形成内存中反映目录树结构的缓存。
• 当创建、删除、重命名文件/目录时，修改首先发生在内存中的 dentry (和 inode) 上，然后由底层文件系统驱动负责将更改同步（写回）到磁盘上的具体数据结构中。

目录项结构（struct dentry）存储的主要信息：

名称 (d_name):

• 存储该目录项代表的文件或目录的名称（例如，"myfile.txt"）。
• 包含名称本身和其长度（hash 和 len）。

父目录指针 (d_parent):

• 指向父目录的 dentry 结构。
• 这是构建完整路径名和进行路径遍历（如 ../）的关键。

子项列表 (d_subdirs) 和 子项哈希表 (d_children):

• d_subdirs: 一个链表，链接所有直接位于该目录下的子目录项（文件或子目录）。
• d_children: 更常用的一个哈希表（链表头数组），用于根据子项名称快速查找该目录下的特定子项。内核主要使用这个哈希表进行高效查找。

关联的索引节点 (d_inode):

• 这是 dentry 最关键的指针！
• 指向与该目录项关联的索引节点结构（struct inode）。
• inode 才是真正包含文件元数据（权限、大小、时间戳、数据块位置等）和指向文件实际数据块的结构。dentry 本身不存储文件属性或内容。
• 一个 inode 可以被多个 dentry 指向（硬链接）。

挂载点信息 (d_mounted):

• 如果这个 dentry 代表的是一个目录，并且该目录是另一个文件系统的挂载点，这个字段会被设置（非零）。
• 当遍历路径遇到挂载点时，内核会切换到新挂载的文件系统的根 dentry。

状态标志 (d_flags):

• 包含一些内部状态位，例如：
  • DCACHE_DISCONNECTED: 表示该 dentry 目前未连接到父 dentry（例如 NFS 场景）。
  • DCACHE_OP_DELETE: 表示该 dentry 正在被删除。
  • DCACHE_MANAGE_TRANSIT: 用于自动挂载点管理。
  • 等等。这些标志主要用于内核内部管理。

引用计数 (d_lockref 或 d_count):

• 内核使用引用计数来跟踪当前有多少地方正在使用这个 dentry 结构（例如，有进程打开了该文件，或者它正在路径查找中被使用）。
• 当引用计数降为 0 时，内核不会立即销毁 dentry。它会进入一个“负”状态或放入 LRU 缓存，以便在短时间内如果再次访问同一路径可以快速重建，最终会被内存回收机制移除。

操作函数集指针 (d_op):

• 指向一个包含该 dentry 特定操作函数的结构（struct dentry_operations）。这些函数由底层的具体文件系统（如 ext4）提供，用于处理该文件系统特有的 dentry 操作，例如：
  • d_revalidate: 检查缓存中的 dentry 是否仍然有效（对网络文件系统如 NFS 尤其重要）。
  • d_weak_revalidate: 弱有效性检查。
  • d_hash: 计算文件名哈希值的特定方法。
  • d_compare: 比较两个文件名的特定方法（例如，是否大小写敏感）。
  • d_delete: 当引用计数变为 0 时调用。
  • d_release: 当 dentry 被真正释放时调用。
  • d_prune: 通知底层文件系统 dentry 即将被释放。
  • d_iput: 当关联的 inode 被释放时调用（如果文件系统需要额外操作）。
  • d_dname: 为动态生成的 dentry 提供调试名称。

超级块指针 (d_sb):

• 指向该 dentry 所属文件系统的超级块结构（struct super_block）。超级块代表一个已挂载的文件系统实例。

挂载点信息 (d_mounted):这个字段存在的必要性？

1. 挂载过程 (mount 命令)：

• 当你执行 mount /dev/sdb1 /mnt/data 时：
  • /dev/sdb1 是包含文件系统（比如 ext4）的块设备。
  • /mnt/data 是宿主文件系统（比如根文件系统 ext4）中的一个空目录。
• 内核动作：
  • 读取 /dev/sdb1 的超级块，在内存中创建一个新的 super_block 结构 (s_sdb1) 代表这个新的文件系统实例。
  • 为这个新文件系统的根目录 (/) 创建内存中的 inode 和 dentry 结构。这个 dentry 就是新文件系统的 "根 dentry" (mount->mnt_root)。
  • 找到宿主文件系统中 /mnt/data 目录对应的 dentry (dentry_mnt_data)。
  • 在 dentry_mnt_data 上设置 d_mounted = 1，标记这是一个挂载点。
  • 创建一个 struct mount 结构，它是挂载点的核心管理结构。这个结构的关键字段包括：
    • mnt_mountpoint：指向宿主文件系统中的挂载点 dentry (dentry_mnt_data)。
    • mnt_root：指向新挂载文件系统的根 dentry。
    • mnt_sb：指向新文件系统的超级块 (s_sdb1)。
  • 将这个 mount 结构加入到全局挂载树中。

2. 路径遍历遇到挂载点 (例如访问 /mnt/data/file.txt)：

• 内核从进程的当前目录（或根目录 /）的 dentry 开始解析路径 /mnt/data/file.txt。
• 它先找到 / 的 dentry (dentry_root)。
• 在 / 的子项中查找 mnt，找到其 dentry (dentry_mnt)。
• 在 dentry_mnt 的子项中查找 data，找到其 dentry (dentry_mnt_data)。
• 关键步骤： 内核检查 dentry_mnt_data 的 d_mounted 标志。发现它被设置了 (d_mounted == 1)。
• 内核知道 dentry_mnt_data 是一个挂载点。于是：
  • 它查找与 dentry_mnt_data 关联的 mount 结构（通过挂载树）。
  • 从这个 mount 结构中取出 mnt_root —— 这就是新挂载文件系统 (/dev/sdb1) 的根目录 (/) 的 dentry。
  • 内核进行“跳转”：接下来的路径解析将从这个新的根 dentry (mnt_root) 开始，而不是继续在宿主文件系统的 dentry_mnt_data 下查找。
• 接下来的路径分量解析将在 dentry_newfs_root 及其子项中进行，完全处于新文件系统的上下文中。现在内核在新的根 dentry (mnt_root) 下查找 file.txt 的 dentry。
• 找到 file.txt 的 dentry 后，最终找到其对应的 inode。

存在的必要性：

1. 保持宿主结构不变：

• 挂载后，宿主文件系统中 /mnt/data 目录对应的原始 dentry (dentry_host_data) 和 inode 保持不变。
• dentry_host_data->d_inode 仍然指向宿主文件系统上代表空目录 /mnt/data 的那个 inode。
• dentry_host_data->d_subdirs 理论上还是空的（宿主目录本身是空的）。
• 关键一步： 内核在 dentry_host_data 上设置 d_mounted = 1。这只是一个标记，表示“此目录是通往另一个世界的门户”，并不改变其本身代表的内容。

2. 创建挂载结构 (struct mount)：

• 这个 struct mount 对象是连接两个独立文件系统世界的“桥梁”。

3. . 和 .. 的正确处理：

• 在新文件系统中 (/mnt/data/ 下)：
  • .：解析到 dentry_newfs_root (新文件系统的根)。
  • ..：因为新文件系统的根是顶级目录，dentry_newfs_root->d_parent 通常指向自己。但在挂载点下，VFS 有特殊处理：
    • 当在新文件系统内部解析 .. 时，如果当前目录就是该文件系统的根 (dentry == mnt_root)，那么 .. 应该返回到宿主文件系统的挂载点目录 (dentry_host_data) 的父目录（即 /mnt）。这个逻辑由 follow_dotdot() 函数实现，它会检查是否在挂载点边界，并进行相应的反向“跳转”（回到宿主文件系统上下文）。
• 在宿主文件系统中：
  • /mnt/data/. 解析到 dentry_host_data (宿主目录)。
  • /mnt/data/.. 解析到 dentry_host_data->d_parent (宿主目录 /mnt)。