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File System · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

vfs_caches_init

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 좌표와 링크를 맞춘 문C식 독해 노트입니다. dentry, inode, file cache 초기화. 박사 과정/커널 연구자 기준으로, API 설명보다 invariant, 동시성, lifetime, 성능 모델을 중심에 둔다.

읽는 지도

VFS/filesystem 코드는 path name을 dentry/inode/file/page cache operation으로 번역하는 계층이다. 이름 해석의 consistency와 데이터 I/O의 consistency를 분리해서 봐야 한다.

먼저 볼 것

함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.

다음에 볼 것

정상 경로와 실패 경로를 같은 무게로 본다. kernel code의 품질은 성공 path보다 error unwind, hotplug, teardown에서 더 잘 드러난다.

그림 1. vfs_caches_init 이 kernel 안에서 놓이는 위치
pathname / fduser visible handle
dentry / mountname cache and namespace
inode / filemetadata and open instance
address_space / fspage cache, journal, writeback

왼쪽은 입력 또는 상위 계층이고, 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 문C식으로 읽을 때는 이 그림을 먼저 머리에 놓고 코드 조각을 끼워 넣는다.

원본 코드 좌표

Linux 6.18.37 LTS에서 열 파일

원본 코드:
Linux 6.18.37 LTS: fs/dcache.c
Linux 6.18.37 LTS: fs/inode.c
Linux 6.18.37 LTS: fs/file_table.c
Linux 6.18.37 LTS: fs/namespace.c

설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.

대표 코드

void __init vfs_caches_init

원본 코드: fs/dcache.c, around line 3325

/* SLAB cache for __getname() consumers */
struct kmem_cache *names_cachep __read_mostly;
EXPORT_SYMBOL(names_cachep);

void __init vfs_caches_init_early(void)
{
	int i;

	for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(in_lookup_hashtable); i++)
		INIT_HLIST_BL_HEAD(&in_lookup_hashtable[i]);

	dcache_init_early();
	inode_init_early();
}

void __init vfs_caches_init(void)
{
	names_cachep = kmem_cache_create_usercopy("names_cache", PATH_MAX, 0,
			SLAB_HWCACHE_ALIGN|SLAB_PANIC, 0, PATH_MAX, NULL);

	dcache_init();
	inode_init();
	files_init();
	files_maxfiles_init();
	mnt_init();
	bdev_cache_init();
	chrdev_init();
}

읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.

dcache_init

원본 코드: fs/dcache.c, around line 3272
	dhash_entries = simple_strtoul(str, &str, 0);
	return 1;
}
__setup("dhash_entries=", set_dhash_entries);

static void __init dcache_init_early(void)
{
	/* If hashes are distributed across NUMA nodes, defer
	 * hash allocation until vmalloc space is available.
	 */
	if (hashdist)
		return;

	dentry_hashtable =
		alloc_large_system_hash("Dentry cache",
					sizeof(struct hlist_bl_head),
					dhash_entries,
					13,
					HASH_EARLY | HASH_ZERO,
					&d_hash_shift,
					NULL,
					0,
					0);
	d_hash_shift = 32 - d_hash_shift;
}

static void __init dcache_init(void)
{
	/*
	 * A constructor could be added for stable state like the lists,
	 * but it is probably not worth it because of the cache nature
	 * of the dcache.
	 */
	dentry_cache = KMEM_CACHE_USERCOPY(dentry,
		SLAB_RECLAIM_ACCOUNT|SLAB_PANIC|SLAB_MEM_SPREAD|SLAB_ACCOUNT,
		d_iname);

	/* Hash may have been set up in dcache_init_early */
	if (!hashdist)
		return;

읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.

함수별 독해

VFS가 path lookup과 open file state를 빠르게 처리할 수 있도록 dentry/inode/file cache를 초기화한다.

이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.

그림 2. vfs_caches_init 함수 체인과 관찰 지점
entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정
void __init vfs_caches_initslab 기반 object 확보
dcache_initlookup table 준비
observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.

1. void __init vfs_caches_init

void __init vfs_caches_init 주변에서는 dcache를 중심으로 본다. 이 필드는 pathname component cache 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 cache created 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 slab 기반 object 확보을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: dentry와 inode identity를 혼동함

2. dcache_init

dcache_init 주변에서는 dcache를 중심으로 본다. 이 필드는 pathname component cache 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 hash tables sized 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 lookup table 준비을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: cache init을 filesystem mount와 같은 단계로 봄

함수입력상태 변경검증 질문
void __init vfs_caches_initdcache, caller context, subsystem 전제 조건cache created: slab 기반 object 확보dentry와 inode identity를 혼동함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
dcache_initdcache, caller context, subsystem 전제 조건hash tables sized: lookup table 준비cache init을 filesystem mount와 같은 단계로 봄 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체 / 필드 해설

여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 박사급 리뷰에서는 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.

그림 3. vfs_caches_init 핵심 필드 연결
dcachepathname component cache
inode cachefilesystem object metadata
file cacheopen instance allocation
mount cachenamespace traversal state

필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.

필드읽는 법확인
dcachepathname component cache누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
inode cachefilesystem object metadata누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
file cacheopen instance allocation누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
mount cachenamespace traversal state누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인

상태 전이 그림

상태 전이를 따로 그리는 이유는 정상 path와 실패 path를 같은 표에서 보기 위해서다. 커널 regression은 흔히 마지막 상태가 아니라 중간 상태를 외부에 publish한 뒤 rollback하지 못해서 생긴다.

그림 4. vfs_caches_init 상태 전이
cache createdslab 기반 object 확보
hash tables sizedlookup table 준비
mount subsystem readynamespace root 구성 가능
proc/sysfs users후속 init이 사용

상태 전이는 단방향처럼 그렸지만, 실패 경로에서는 대부분 역순 rollback이 붙는다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
cache createdslab 기반 object 확보앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
hash tables sizedlookup table 준비앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
mount subsystem readynamespace root 구성 가능앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
proc/sysfs users후속 init이 사용앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
vfs_caches_init review rule = state transition + owner transition + visibility transition

불변조건 / 실패 케이스

lifetime

vfs_caches_init 의 중심 객체가 publish된 뒤에는 마지막 참조가 사라지기 전까지 teardown path가 모든 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.

error unwind

중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.

bring-up symptom

embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.

주의

dentry와 inode identity를 혼동함

주의

cache init을 filesystem mount와 같은 단계로 봄

주의

negative dentry를 실패만으로 해석함

계측 / 검증

계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.

도구보는 것해석
slabinfovfs_caches_init 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
vfs_* tracepointsvfs_caches_init 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
perf probe d_allocvfs_caches_init 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
cat /proc/slabinfovfs_caches_init 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
기본 추적 골격:
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

연구 질문

  • vfs_caches_init 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
  • vfs_caches_init 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
  • 실험으로 확인한다면 'dentry와 inode identity를 혼동함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
  • 실험으로 확인한다면 'cache init을 filesystem mount와 같은 단계로 봄' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?