Linux文件系统(五)---三大缓冲区之buffer块缓冲区

浅浅的花香味﹌ 2022-08-12 01:17 367阅读 0赞

在文件系统中，有三大缓冲为了提升效率：inode缓冲区、dentry缓冲区、块缓冲。

(内核：2.4.37)

**二、块buffer缓冲区**

0、整体来说，Linux 文件缓冲区分为page cache和buffer cache，每一个 page cache 包含若干 buffer cache。

》 内存管理系统和 VFS 只与 page cache 交互，内存管理系统负责维护每项 page cache 的分配和回收，同时在使用“内存映射”方式访问时负责建立映射。

》 VFS 负责 page cache 与用户空间的数据交换。

》 而**具体文件系统**则一般只与 buffer cache 交互，它们负责在存储设备和 buffer cache 之间交换数据，具体的文件系统直接操作的就是disk部分，而具体的怎么被包装被用户使用是VFS的责任(VFS将buffer cache包装成page给用户)。

》 每一个page有N个buffer cache，struct buffer\_head结构体中一个字段b\_this\_page就是将一个page中的buffer cache连接起来的结构

看一下这个结构：/include/linux/mm.h，对于struct buffer\_head下面再看。

看到下面167行代码就懂了~

typedef struct page {
    156         struct list_head list;          /* ->mapping has some page lists. */
    157         struct address_space *mapping;  /* The inode (or ...) we belong to. */
    158         unsigned long index;            /* Our offset within mapping. */
    159         struct page *next_hash;         /* Next page sharing our hash bucket in
    160                                            the pagecache hash table. */
    161         atomic_t count;                 /* Usage count, see below. */
    162         unsigned long flags;            /* atomic flags, some possibly
    163                                            updated asynchronously */
    164         struct list_head lru;           /* Pageout list, eg. active_list;
    165                                            protected by pagemap_lru_lock !! */
    166         struct page **pprev_hash;       /* Complement to *next_hash. */
    167         struct buffer_head * buffers;   /* Buffer maps us to a disk block. */
    168 
    169         /*
    170          * On machines where all RAM is mapped into kernel address space,
    171          * we can simply calculate the virtual address. On machines with
    172          * highmem some memory is mapped into kernel virtual memory
    173          * dynamically, so we need a place to store that address.
    174          * Note that this field could be 16 bits on x86 ... ;)
    175          *
    176          * Architectures with slow multiplication can define
    177          * WANT_PAGE_VIRTUAL in asm/page.h
    178          */
    179 #if defined(CONFIG_HIGHMEM) || defined(WANT_PAGE_VIRTUAL)
    180         void *virtual;                  /* Kernel virtual address (NULL if
    181                                            not kmapped, ie. highmem) */
    182 #endif /* CONFIG_HIGMEM || WANT_PAGE_VIRTUAL */
    183 } mem_map_t;

关系图如下：

![SouthEast][]

1、对于具体的Linux文件系统，会以block(磁盘块)的形式组织文件，为了减少对物理块设备的访问，在文件以块的形式调入内存后，使用块高速缓存进行管理。每个缓冲区由两部分组成，第一部分称为缓冲区首部，用数据结构buffer\_head表示，第二部分是真正的存储的数据。由于缓冲区首部不与数据区域相连，数据区域独立存储。因而在缓冲区首部中，有一个指向数据的指针和一个缓冲区长度的字段。

Ps:内核同样有几种不同的链表来管理buffer cache，在fs/buffer.c中定义：

static struct buffer\_head \*\*hash\_table;

static struct buffer\_head \*lru\_list\[NR\_LIST\];

static struct buffer\_head \* unused\_list;

下面我们具体看看这个结构体**struct buffer\_head**，这个版本中这个结构体在fs.h中，后面的一些版本，在buffer\_head.h中。

246 struct buffer_head {
    247         /* First cache line: */
    248         struct buffer_head *b_next;     /* Hash queue list */
    249         unsigned long b_blocknr;        /* block number */
    250         unsigned short b_size;          /* block size */
    251         unsigned short b_list;          /* List that this buffer appears */
    252         kdev_t b_dev;                   /* device (B_FREE = free) */
    253 
    254         atomic_t b_count;               /* users using this block */
    255         kdev_t b_rdev;                  /* Real device */
    256         unsigned long b_state;          /* buffer state bitmap (see above) */
    257         unsigned long b_flushtime;      /* Time when (dirty) buffer should be written */
    258 
    259         struct buffer_head *b_next_free;/* lru/free list linkage */
    260         struct buffer_head *b_prev_free;/* doubly linked list of buffers */
    261         struct buffer_head *b_this_page;/* circular list of buffers in one page */
    262         struct buffer_head *b_reqnext;  /* request queue */
    263 
    264         struct buffer_head **b_pprev;   /* doubly linked list of hash-queue */
    265         char * b_data;                  /* pointer to data block */
    266         struct page *b_page;            /* the page this bh is mapped to */
    267         void (*b_end_io)(struct buffer_head *bh, int uptodate); /* I/O completion */
    268         void *b_private;                /* reserved for b_end_io */
    269 
    270         unsigned long b_rsector;        /* Real buffer location on disk */
    271         wait_queue_head_t b_wait;
    272 
    273         struct list_head     b_inode_buffers;   /* doubly linked list of inode dirty buffers */
    274 };

解释一些上面的字段：

b\_next：用于链接到块缓冲区的hash表

b\_blocknr：本block的块号

b\_size：block的大小

b\_list：表示当前的这个buffer在那个链表中

b\_dev：虚拟设备标识

b\_count：引用计数(几个人在使用这个buffer)

b\_rdev：真实设备标识

b\_state：状态位图，如下：

212 /* bh state bits */
    213 enum bh_state_bits {
    214         BH_Uptodate,    /* 如果缓冲区包含有效数据则置1 */
    215         BH_Dirty,       /* 如果buffer脏(存在数据被修改情况)，那么置1 */
    216         BH_Lock,        /* 如果缓冲区被锁定，那么就置1 */
    217         BH_Req,         /* 如果缓冲区无效就置0 */
    218         BH_Mapped,      /* 如果缓冲区有一个磁盘映射就置1 */
    219         BH_New,         /* 如果缓冲区是新的，而且没有被写出去，那么置1 */
    220         BH_Async,       /* 如果缓冲区是进行end_buffer_io_async I/O 同步则置1 */
    221         BH_Wait_IO,     /* 如果要将这个buffer写回，那么置1 */
    222         BH_Launder,     /* 如果需要重置这个buffer，那么置1 */
    223         BH_Attached,    /* 1 if b_inode_buffers is linked into a list */
    224         BH_JBD,         /* 如果和 journal_head 关联置1 */
    225         BH_Sync,        /* 如果buffer是同步读取置1 */
    226         BH_Delay,       /* 如果buffer空间是延迟分配置1 */
    227 
    228         BH_PrivateStart,/* not a state bit, but the first bit available
    229                          * for private allocation by other entities
    230                          */
    231 };
    232

b\_flushtime：脏buffer需要被写入的时间

b\_next\_free：指向lru链表中next元素

b\_prev\_free：指向链表上一个元素

b\_this\_page：连接到同一个page中的那个链表

b\_reqnext：请求队列

b\_pprev：hash队列双向链表  
data：指向数据块的指针

b\_page：这个buffer映射的页面

b\_end\_io：IO结束时候执行函数

b\_private：保留

b\_rsector：缓冲区在磁盘上的实际位置

b\_inode\_buffers：inode脏缓冲区循环链表

3、关于VFS怎么去管理几个buffer cache的链表，如下：

**》** hash表：用于管理包含有效数据的buffer，在定位buffer的时候很快捷。哈希索引值由数据块号以及其所在的设备标识号计算（散列）得到。

关于这段hash代码如下：

<span style="font-size:14px;">539 /* After several hours of tedious analysis, the following hash
    540  * function won.  Do not mess with it... -DaveM
    541  */
    542 #define _hashfn(dev,block)      \
    543         ((((dev)<<(bh_hash_shift - 6)) ^ ((dev)<<(bh_hash_shift - 9))) ^ \
    544          (((block)<<(bh_hash_shift - 6)) ^ ((block) >> 13) ^ \
    545           ((block) << (bh_hash_shift - 12))))</span>

下面简单的看一下流程：

当我们在一个具有的文件系统中，当我们需要读取一块数据的时候，需要调用bread函数(面包？ヾ(｡｀Д´｡)，应该是buffer read的缩写吧。。。)。

如下：

1181 /**
    1182  *      bread() - reads a specified block and returns the bh
    1183  *      @block: number of block        块号
    1184  *      @size: size (in bytes) to read 需要读取的size
    1185  * 
    1186  *      Reads a specified block, and returns buffer head that
    1187  *      contains it. It returns NULL if the block was unreadable.  返回一个包含这个block的buffer
    1188  */ 
    1189 struct buffer_head * bread(kdev_t dev, int block, int size)
    1190 {
    1191         struct buffer_head * bh;
    1192 
    1193         bh = getblk(dev, block, size);    /* 找到这个buffer */
    1194         if (buffer_uptodate(bh))  /* 判断是否存在有效数据，如果存在那么直接返回即可 */
    1195                 return bh;
    1196         set_bit(BH_Sync, &bh->b_state); /* 如果不存在有效数据，将这个buffer设置成同步状态 */
    1197         ll_rw_block(READ, 1, &bh); /* 如果没有，那么需要从磁盘中读取这个block到buffer中，这个是一个底层的读取操作 */
    1198         wait_on_buffer(bh);  /* 等待buffer的锁打开 */
    1199         if (buffer_uptodate(bh)) /* 理论上这个时候应该是存在有效数据的了，直接返回就可以 */
    1200                 return bh;
    1201         brelse(bh);
    1202         return NULL;
    1203 }

对于上面函数的分析，基本上分成两个步骤，

第一：通过dev号+block号找到相应的buffer，使用函数getblk，如下：

1013 struct buffer_head * getblk(kdev_t dev, int block, int size)
    1014 {
    1015         for (;;) {
    1016                 struct buffer_head * bh;
    1017 
    1018                 bh = get_hash_table(dev, block, size);   /* 关键函数，得到hash表中的buffer */
    1019                 if (bh) {
    1020                         touch_buffer(bh);
    1021                         return bh;     /* 返回这个buffer */
    1022                 }
    1023                 /* 如果没有找到对应的buffer，那么试着去增加一个buffer，就是使用下面的grow_buffers函数 */
    1024                 if (!grow_buffers(dev, block, size))
    1025                         free_more_memory();
    1026         }
    1027 }

简单看一下这个查找buffer函数：get\_hash\_table

628 struct buffer_head * get_hash_table(kdev_t dev, int block, int size)
    629 {
    630         struct buffer_head *bh, **p = &hash(dev, block);   /* 首先通过hash值得到对应的位置，这个函数h很easy */
    631 /* 其实就是 #define hash(dev,block) hash_table[(_hashfn(HASHDEV(dev),block) & bh_hash_mask)]。hashfn函数上面已经说过了，就是通过hash值得到buffer*/
    632         read_lock(&hash_table_lock);
    633 
    634         for (;;) {           /* 下面就是判断这个得到的buffer数组中有没有我们需要的buffer */
    635                 bh = *p;
    636                 if (!bh)
    637                         break;
    638                 p = &bh->b_next;
    639                 if (bh->b_blocknr != block)
    640                         continue;
    641                 if (bh->b_size != size)
    642                         continue;
    643                 if (bh->b_dev != dev)
    644                         continue;
    645                 get_bh(bh);       /* 如果有那么直接执行这个函数，这个函数很easy，其实就是增加一个使用计数器而已： atomic_inc(&(bh)->b_count);*/
    646                 break;
    647         }
    648 
    649         read_unlock(&hash_table_lock);
    650         return bh;
    651 }

如果没找到对应的buffer，那么使用grow\_buffers函数增加一个新的buffer，看函数：

2596 /*
    2597  * Try to increase the number of buffers available: the size argument
    2598  * is used to determine what kind of buffers we want.
    2599  */
    2600 static int grow_buffers(kdev_t dev, unsigned long block, int size)
    2601 {
    2602         struct page * page;
    2603         struct block_device *bdev;
    2604         unsigned long index;
    2605         int sizebits;
    2606 
    2607         /* Size must be multiple of hard sectorsize */
    2608         if (size & (get_hardsect_size(dev)-1))
    2609                 BUG();
    2610         /* Size must be within 512 bytes and PAGE_SIZE */
    2611         if (size < 512 || size > PAGE_SIZE)
    2612                 BUG();
    2613 
    2614         sizebits = -1;
    2615         do {
    2616                 sizebits++;
    2617         } while ((size << sizebits) < PAGE_SIZE);
    2618 
    2619         index = block >> sizebits;
    2620         block = index << sizebits;
    2621 
    2622         bdev = bdget(kdev_t_to_nr(dev));
    2623         if (!bdev) {
    2624                 printk("No block device for %s\n", kdevname(dev));
    2625                 BUG();
    2626         }
    2627 
    2628         /* Create a page with the proper size buffers.. */
    2629         page = grow_dev_page(bdev, index, size);
    2630 
    2631         /* This is "wrong" - talk to Al Viro */
    2632         atomic_dec(&bdev->bd_count);
    2633         if (!page)
    2634                 return 0;
    2635 
    2636         /* Hash in the buffers on the hash list */
    2637         hash_page_buffers(page, dev, block, size);
    2638         UnlockPage(page);
    2639         page_cache_release(page);
    2640 
    2641         /* We hashed up this page, so increment buffermem */
    2642         atomic_inc(&buffermem_pages);
    2643         return 1;
    2644 }
    2645

这个函数就是增加一个新的buffer，首先由grow\_dev\_page创建一个缓冲区包含这个block，然后将这个buffer链接到这个全局的hash缓冲区中使用函数hash\_page\_buffers。具体的代码很简单，不单看了。

第二：如果没有找到需要的buffer，那么执行底层读取函数ll\_rw\_block将数据从磁盘去读进来，这个函数在/source/drivers/block/ll\_rw\_blk.c中，具体的代码不看了。

OK，至此，寻找一个我们需要的buffer就结束了。

**》** LRU链表

对于每一种不同缓冲区都会使用一个LRU来管理未使用的有效缓冲区

Ps：缓冲区类型如下：

1152 #define BUF_CLEAN       0
    1153 #define BUF_LOCKED      1       /* Buffers scheduled for write */
    1154 #define BUF_DIRTY       2       /* Dirty buffers, not yet scheduled for write */

分别是：未使用的干净的缓冲区；正在等待写入的缓冲区；脏缓冲区，还没有被写回磁盘。

这个三种链表怎么得到的呢，看代码也知道是吻合的，看LRU的声明：static struct buffer\_head \*lru\_list\[NR\_LIST\];

再看：\#define NR\_LIST         3，OK

当我们需要寻找一块buffer的时候，如果发现buffer在缓冲区中，且在LRU链表中，那么从LRU表中删除。

结合上面的一个hash链表，基本过程就是：

首先呢在hash表中寻找，如果找到，那就OK，如果没有找到，那么需要分配新的buffer，如果分到，那么加载数据进来，继续...如果没有足够的空间分配，那么， 需要将LRU中一个取出(LRU链首元素)，先看是否置了“脏”位，如已置，则将它的内容写回磁盘。然后清空内容，将它分配给新的数据块。

在缓冲区使用完了后，将它的b\_count域减1，如果b\_count变为0，则将它放在某个LRU链尾，表示该缓冲区已可以重新利用。

unused\_list 用于辅助就不多说了~~~

[SouthEast]: /images/20220810/1bd3222c990d4809a6bab236a88adaa9.png