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title: VFS 応用
url: https://doc.liz6.com/ja/linux-kernel/03-file-system/04-vfs-advanced
locale: ja
area: linux-kernel
tags:
- linux-kernel
- file-system
date: 2026-06-30
modified: 2026-07-16
description: 'カバー範囲: page cache と VFS の相互作用 → inode 状態マシン → ファイルロック (POSIX/OFD) → fsync/fdatasync の保証 → sendfile/splice/vmsplice によるゼロコピー。カーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x'
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# VFS 応用
> カバー範囲: page cache と VFS の相互作用 → inode 状態マシン → ファイルロック (POSIX/OFD) → fsync/fdatasync の保証 → sendfile/splice/vmsplice によるゼロコピー
> カーネルバージョン: 2.6 ~ 6.x
## Page Cache と VFS の相互作用
### inode と address_space の関係
```c
// inode->i_mapping は、そのファイルの page cache を指す
// これは address_space 構造体であり、メモリ内のそのファイルの全キャッシュページを管理する
// ほとんどの場合、inode->i_mapping は内蔵の inode->i_data を指す:
struct inode {
struct address_space *i_mapping; // 通常は &inode->i_data
struct address_space i_data; // 内蔵 (ブロックデバイスファイルシステム用)
};
// ブロックデバイスの裸の読み書きの場合:
struct block_device {
struct inode bd_inode; // ブロックデバイスも inode として扱う
// bd_inode.i_mapping はブロックデバイス自身の page cache
// ファイルシステムとのやり取りは buffer_head を介して行われる
};
```
### inode 状態マシン
```c
// include/linux/fs.h
#define I_NEW 0 // inode が新規割り当てされ、ディスクからまだ読み込まれていない
#define I_DIRTY_SYNC 1 // メタデータがダーティ、同期が必要 (例: i_size)
#define I_DIRTY_DATASYNC 2 // データがダーティ (fdatasync のみが関心を持つ)
#define I_DIRTY_PAGES 3 // i_mapping にダーティページが存在する
#define I_WILL_FREE 4 // 解放即将
#define I_FREEING 5 // 解放処理中
// inode のライフサイクル:
// alloc_inode() → I_NEW
// insert_inode_locked() → inode ハッシュに追加
// unlock_new_inode() → I_NEW をクリアし、待機中のプロセスをウェイクアップ
// ... アクティブ期間 ...
// iput() → i_count == 0 → evict() → I_FREEING → destroy_inode()
```
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## ファイルロック
### POSIX ロック (fcntl)
```c
// POSIX 勧告的/強制ロック
struct flock {
short l_type; // F_RDLCK / F_WRLCK / F_UNLCK
short l_whence; // SEEK_SET/SEEK_CUR/SEEK_END
off_t l_start;
off_t l_len;
pid_t l_pid; // ロックを保持しているプロセスの PID (GETLK 時に設定)
};
fcntl(fd, F_SETLK, &lock); // 非ブロッキング
fcntl(fd, F_SETLKW, &lock); // ブロッキング待機
fcntl(fd, F_GETLK, &lock); // 照会
// 実装: fs/locks.c
// ロックは inode->i_flctx (file_lock_context) にアタッチされる
// 競合検出: posix_locks_conflict() → conflict チェーンを走査
// プロセスが fd をクローズすると、フォーク関係に関係なく、すべての POSIX ロックが自動的に解放される
```
### OFD ロック (Open File Description, 3.15 以降)
```c
// POSIX ロックの問題点: 同一プロセス内の異なる fd は、それぞれロックを保持できない
// OFD ロックの解決策: ロックは「プロセス」ではなく「オープンファイル記述子 (file)」にアタッチされる
fcntl(fd, F_OFD_SETLK, &lock);
// fork シナリオ:
// POSIX: 子プロセスは親プロセスのロックを継承する (同一 PID であるため)
// OFD: 子プロセスはロックを継承しない (異なる file であるため、必ずしも継承されない)
```
### FLOCK (BSD ロック)
```c
flock(fd, LOCK_SH); // 共有ロック
flock(fd, LOCK_EX); // 排他ロック
flock(fd, LOCK_UN); // ロック解除
// POSIX ロックとの違い:
// FLOCK は file にアタッチされる (inode でもプロセスでもない)
// 同一 file に対する複数の flock 呼び出しは自動的に結合される
// fork 時に flock が継承される (file が共有されるため)
// 勧告的ロックのみ (強制ロックは存在しない)
```
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## fsync / fdatasync: 永続性の保証
```c
// fs/sync.c
SYSCALL_DEFINE1(fsync, unsigned int, fd)
→ do_fsync(fd, 0) → vfs_fsync(file, 0)
├─ file_write_and_wait_range() // 1. ダーティな page cache の書き戻し
│ └─ __filemap_fdatawrite_range() → do_writepages()
│ → 各ダーティな folio に対して a_ops->writepage() を呼び出し
│ └─ __filemap_fdatawait_range() // 書き戻しの完了を待機
│
└─ vfs_fsync_range()
└─ f_op->fsync() // 2. ファイルシステム: ジャナルの書き込み / 強制フラッシュ
→ ext4: jbd2 トランザクションのコミット + blkdev_issue_flush
→ XFS: 強制ログのディスクへの書き出し + flush
→ NFS: COMMIT 操作
// fdatasync (FDATASYNC): データ部分のみをフラッシュ (i_atime/i_mtime は対象外)
// → vfs_fsync_range(file, start, end, 1)
// → ファイルシステムはタイムスタンプの同期をスキップできる
```
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## ゼロコピー: sendfile / splice / vmsplice
```c
// sendfile(): ファイルからソケットへ、ユーザー空間を経由しない
sendfile(out_fd, in_fd, &offset, count)
→ do_sendfile()
└─ splice_file_to_pipe() → パイプバッファ ← ファイル内容
└─ splice_pipe_to_socket() → パイプバッファ → ソケット
// splice(): 2つの fd の間でパイプ経由の転送 (カーネル空間内)
splice(in_fd, NULL, pipefd[1], NULL, count, 0); // fd → パイプ
splice(pipefd[0], NULL, out_fd, NULL, count, 0); // パイプ → fd
// vmsplice(): ユーザー空間メモリからパイプへ (splice と組み合わせて使用)
vmsplice(pipefd[1], iov, nr_segs, SPLICE_F_GIFT);
// ユーザーメモリのページが「カーネルに譲渡」される (もはやユーザー空間のものではない)
// → パイプがこれらのページを参照 → splice でソケットへ転送 → ゼロコピーで NIC へ送信
```
### DMA ゼロコピーの経路
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## デバッグ
```bash
# inode キャッシュの統計
cat /proc/sys/fs/inode-nr # nr_inodes, nr_free_inodes
cat /proc/sys/fs/inode-state # 詳細な inode 使用状況
# プロセスのファイルロックの表示
cat /proc/locks # 現在アクティブなすべての POSIX/OFD/FLOCK
lslocks # より人間 readable な形式
# fsync の動作を追跡
strace -e trace=fsync,fdatasync -p
```
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## 参考と拡張
- **カーネルドキュメント**: `Documentation/filesystems/locks.rst`, `Documentation/filesystems/vfs.rst`
- **LWN**:
- "Better file locking with OFD locks" (lwn.net/Articles/586904/)
- "Splice and sendfile" (lwn.net/Articles/178199/)
- **ソースファイル**:
- `fs/locks.c` — POSIX/OFD/FLOCK の実装
- `fs/sync.c` — fsync/fdatasync
- `fs/splice.c` — splice/sendfile/vmsplice
- `fs/inode.c` — inode のライフサイクル
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*キーワード: VFS, inode state, POSIX lock, OFD lock, FLOCK, fsync, fdatasync, sendfile, splice, zero-copy*