Linux文件系統的異步I/O擴展

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

　　能夠實(shí)時(shí)的觀(guān)察文件系統的變化情況，并做出及時(shí)的適當的反應，這對于應用 Linux 做桌面計算機系統來(lái)說(shuō)，是十分的有趣，也是十分的重要的。本文還要介紹 Linux 文件系統的異步 I/O 的擴展。同樣，這對于 Linux 系統的桌面應用也是關(guān)鍵的。

　　1 Linux 文件系統的守護神

　　傳統的 Linux 文件系統呈現給用戶(hù)程序的界面，確實(shí)是十分的干凈利落。用戶(hù)程序可以打開(kāi)一個(gè)文件，向文件中線(xiàn)性的寫(xiě)入數據，從文件的某一位置開(kāi)始，線(xiàn)性的讀出數據，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。請看，只有這么若干個(gè)簡(jiǎn)潔的操作原語(yǔ)，可是卻能提供這么多豐富的應用。但是，我們注意到，用于訪(fǎng)問(wèn) Linux 的文件系統的這些操作原語(yǔ)，并沒(méi)有提供非常復雜的加鎖解鎖的功能。這是一件很奇妙的事情，如果來(lái)自不同的用戶(hù)程序的請求發(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(hù)程序在訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)文件，而另外一個(gè)用戶(hù)程序正好要刪除這一個(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)文件的一些系統信息，比如文件的所有者，文件相關(guān)的一些權限記錄，關(guān)于文件的若干個(gè)時(shí)間戳，等等。在內存中的 inode 還維持著(zhù)一個(gè)關(guān)于自己的使用計數。每當一個(gè) inode 所代表的文件被打開(kāi)一次，這個(gè) inode 就把關(guān)于自己的使用計數加一。每當這個(gè) inode 所代表的文件一被關(guān)閉，這個(gè) inode 就把關(guān)于自己的使用計數減一。當用戶(hù)程序刪除一個(gè)文件的時(shí)候，相關(guān)的系統調用很快就返回到這個(gè)用戶(hù)程序，告訴它，相應的文件已經(jīng)被刪除了。但是相應的 inode 還是保留在系統中，inode 首先要檢查自己的使用計數，如果使用計數為零，那么 Linux Kernel 才可以真正的去刪除這個(gè)文件。如果使用計數大于零，也就是說(shuō)，還有其它的用戶(hù)程序在訪(fǎng)問(wèn)這一個(gè)文件，那么 Linux Kernel 需要等待這些其他的用戶(hù)程序一個(gè)個(gè)都完成對這一個(gè)文件的訪(fǎng)問(wèn)才行。也就是說(shuō)，要等到這個(gè) inode 的使用計數掉到零，才能真正的去刪除這一個(gè)文件。

　　我們可以設想一下，如果有一個(gè) MP3 播放程序在播放一首 MP3 音樂(lè )，我們覺(jué)得它不好聽(tīng)，就到硬盤(pán)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，還是可以繼續播放這首 MP3 音樂(lè )，雖然這時(shí)候在文件系統上用 ls 已經(jīng)找不到這個(gè) MP3 音樂(lè )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(lè )，然后 Linux 文件系統才真正的從硬盤(pán)上刪除這個(gè) MP3 文件。這個(gè)經(jīng)驗和我們在 Windows 平臺上遇到的截然不同。

　　在 Windows 平臺上，當我們試圖在文件夾窗口中用鼠標點(diǎn)擊右鍵菜單刪除 Winamp 正在播放的一首 MP3 音樂(lè )的時(shí)候，Windows 系統會(huì )用一個(gè)彈出對話(huà)框告訴我們，這個(gè)文件正在被使用，沒(méi)辦法刪除。Windows 系統的關(guān)于刪除文件的這樣一個(gè)解釋?zhuān)绻褂貌划數脑?huà)，會(huì )帶來(lái)一個(gè)滑稽可笑的問(wèn)題。我們可以設想一下，用戶(hù)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(lè )文件十分的熱門(mén)，不斷的有人來(lái)下載，這個(gè)用戶(hù)最終決定要節省一下帶寬，想要把這個(gè) MP3 音樂(lè )文件刪除掉，但是 Windows 系統卻不允許用戶(hù)這樣做，因為這個(gè) P2P 的文件共享程序總是在使用這個(gè) MP3 文件。用戶(hù)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(lái)!

　　但是 Linux 的文件系統的操作原語(yǔ)也有它自己的問(wèn)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(méi)有了，被刪除了。但是我們可以設想有一個(gè)圖形界面的文件管理程序，當用戶(hù)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(méi)有收到任何人發(fā)給它的任何消息，它還以為什么都沒(méi)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，對于熟悉 Linux 系統編程的讀者朋友們來(lái)說(shuō)，是很容易理解的。程序首先注冊一個(gè)信號處理例程，然后通知 Kernel，我要觀(guān)察 fd 上的 DN_MODIFY 和 DN_CREATE 和 DN_MULTISHOT 事件。(關(guān)于這些事件的詳細定義，請讀者朋友們參閱文后所列的參考資料。) Linux Kernel 收到這個(gè)請求后，把相應的 fd 的 inode 給做上記號，然后 Linux Kernel 和用戶(hù)應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)生了相應的事件，Linux Kernel 就把信號發(fā)給用戶(hù)進(jìn)程，于是開(kāi)始執行信號處理例程，用戶(hù)程序對文件系統上的變化也就可以及時(shí)的做出反應了。而在這整個(gè)過(guò)程中，系統以及用戶(hù)程序的正常運行基本上未受到性能上的影響。這里還需要說(shuō)明的是，dnotify 并沒(méi)有通過(guò)增加新的系統調用來(lái)完成它的功能，而是通過(guò) fcntl 來(lái)完成任務(wù)的。增加一個(gè)系統調用，相對來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的手術(shù)，而且如果設計不當，處理得不好的話(huà)，傷疤會(huì )一直留在那里，這是 Linux Kernel 的開(kāi)發(fā)者們所非常不愿意見(jiàn)到的事情。