Linux缓存机制之块缓存

在Linux内核中，并非总使用基于页的方法来承担缓存的任务。内核的早期版本只包含了块缓存，来加速文件操作和提高系统性能。这是来自于其他具有相同结构的类UNIX操作系统的遗产。来自于底层块设备的块缓存在内存的缓冲区中，可以加速读写操作。

与内存页相比，块不仅比较小（大多数情况下），而且长度可变的，依赖于使用的块设备（或文件系统）。随着日渐倾向于使用基于页操作实现的通用文件存取方法，块缓存作为中枢系统缓存的重要性已经逐渐失去。主要的缓存任务现在由页缓存承担。另外，基于块的I/O的标准数据结构，现在已经不再是缓冲区，而是struct bio结构。

缓冲区用作小型的数据传输，一般设计的数据量是与块长度可比拟的。文件系统在处理元数据时，通常会使用此类方法。而裸数据的传输则按页进行，而缓冲区的实现也基于也缓存。

块缓存在结构上由两个部分组成：

1）  缓冲头（buffer head）包含了与缓冲区状态相关的所有管理数据，包括快号、块长度、访问计数器等。这些数据不是直接存储在缓冲头之后，而是存储在物理内存的一个独立区域中，由缓冲头结构中的一个对应的指针表示。

2）  有用数据保存在专门分配的页中，这些页也可能同时存在于页缓存中。这进一步细分了页缓存，如下图所示，在我们的例子中，页划分为4个长度相同的部分，每一部分由其自身的缓冲头描述。缓冲头存储的内存区域与有用数据存储的区域是有关的。

这使得页面可以细分为更小的部分，各顾各部分之间完全连续的（因为缓冲区数据和缓冲头数据是分离的）。因为一个缓冲区由至少512字节组成，每页最多可包括MAX_BUF_PER_PAGE个缓冲区。该常数定义为页面长度的函数。

如果修改了某个缓冲区，则会立即印象到页面的内容（反之也是），因而两个缓存不需要显示同步，毕竟二者的数据是共享的。

当然，有些应用程序在访问块设备时，使用的是块而不是页面，读取文件系统的操作几块，就是一个例子。一个独立的块缓存用于加速此类访问。该块缓存的运作独立于页面缓存，而不是在其上建立的。为此，缓冲头数据结构（对于块缓存和页面缓存是相同的）群聚在一个长度恒定的数组中，各个数组项按LUR方式管理。在一个三个数组项用过之后，将其置于索引位置0，其他数组项相应下移。这意味这最常使用的数组项位于数组的开头，而不常用的数组项将被后退，如果很长时间不使用，则会“掉出”数组。

因为数组的长度，或者说LUR列表中的项数，是一个固定值，在内核运行期间不改变，内核无需运行独立的线程来将缓存长度修正为合理值。相反，内核只需要在一项“掉出”数组时，将相关的缓冲区从缓存删除，以释放内存，用于其他目地。

块缓存实现

块患处不仅仅用作页面缓存的附加功能，对以块而不是页面进行处理的对象来说，块缓存是一个独立的缓存。

数据结构

块缓冲区头

1. struct buffer_head {  


2.     unsigned long b_state;      /* buffer state bitmap (see above) */  


3.     struct buffer_head *b_this_page;/* circular list of page’s buffers */  


4.     struct page *b_page;        /* the page this bh is mapped to */  


5.   


6.     sector_t b_blocknr;     /* start block number */  


7.     size_t b_size;          /* size of mapping */  


8.     char *b_data;           /* pointer to data within the page */  


9.   


10.     struct block_device *b_bdev;  


11.     bh_end_io_t *b_end_io;      /* I/O completion */  


12.     void *b_private;        /* reserved for b_end_io */  


13.     struct list_head b_assoc_buffers; /* associated with another mapping */  


14.     struct address_space *b_assoc_map;  /* mapping this buffer is 


15.                            associated with */  


16.     atomic_t b_count;       /* users using this buffer_head */  


17. };  

操作

内核必须提供一组操作，使得其余代码能够轻松有效地利用缓冲区的功能。切记：这些机制对内存中实际缓存的数据没有贡献。

在使用缓冲区之前，内核首先必须创建一个buffer_head结构实例，而其余的函数则对该结构进行操作。因为创建新缓冲头是一个频繁重现的任务，他应该尽快执行。这是一种很经典的情形，可使用slab缓存解决。

切记：内核源代码确实提供了一些函数，可用作前端，来创建和销毁缓冲头。alloc_buffer_head生成一个新的缓冲头，而free_buffer_head销毁一个显存的缓冲头。

1. /*分配buffer_head*/  


2. struct buffer_head *alloc_buffer_head(gfp_t gfp_flags)  


3. {  


4.     /*从slab中分配空间*/  


5.     struct buffer_head *ret = kmem_cache_alloc(bh_cachep, gfp_flags);  


6.     if (ret) {  


7.         /*初始化*/  


8.         INIT_LIST_HEAD(&ret->b_assoc_buffers);  


9.         get_cpu_var(bh_accounting).nr++;  


10.         recalc_bh_state();  


11.         put_cpu_var(bh_accounting);  


12.     }  


13.     return ret;  


14. }  

页缓存和块缓存的交互

一页划分为几个数据单元，但缓冲头保存在独立的内存区中，与实际数据无关。与缓冲区的交互没有改变的页的内容，缓冲区只不过为页的数据提供了一个新的视图。

为支持页与缓冲区的交互，需要使用struct page的private成员。其类型为unsigned long,可用作指向虚拟地址空间中任何位置的指针。

Private成员还可以用作其他用途，根据页的具体用途，可能与缓冲头完全无关。但其主要的用途是关联缓冲区和页。这样的话，private指向将页划分为更小单位的第一个缓冲头。各个缓冲头通过b_this_page链接为一个环形链表。在该链表中每个缓冲头的b_this_page成员指向下一个缓冲头，而最后一个缓冲头的b_this_page成员指向第一个缓冲头。这使得内核从page结构开始，可以轻易地扫描与页关联的所有buffer_head实例。

内核提供cteate_empty_buffers函数关联page和buffer_head结构之间的关联：

1. /* 


2.  * We attach and possibly dirty the buffers atomically wrt 


3.  * __set_page_dirty_buffers() via private_lock.  try_to_free_buffers 


4.  * is already excluded via the page lock. 


5.  */  


6. void create_empty_buffers(struct page *page,  


7.             unsigned long blocksize, unsigned long b_state)  


8. {  


9.     struct buffer_head *bh, *head, *tail;  


10.   


11.     head = alloc_page_buffers(page, blocksize, 1);  


12.     bh = head;  


13.     /*遍历所有缓冲头，设置其状态，并建立一个环形链表*/  


14.     do {  


15.         bh->b_state |= b_state;  


16.         tail = bh;  


17.         bh = bh->b_this_page;  


18.     } while (bh);  


19.     tail->b_this_page = head;  


20.   


21.     spin_lock(&page->mapping->private_lock);  


22.     /*缓冲区的状态依赖于内存页面中数据的状态*/  


23.     if (PageUptodate(page) || PageDirty(page)) {  


24.         bh = head;  


25.         do {/*设置相关标志*/  


26.             if (PageDirty(page))  


27.                 set_buffer_dirty(bh);  


28.             if (PageUptodate(page))  


29.                 set_buffer_uptodate(bh);  


30.             bh = bh->b_this_page;  


31.         } while (bh != head);  


32.     }  


33.     /*将缓冲区关联到页面*/  


34.     attach_page_buffers(page, head);  


35.     spin_unlock(&page->mapping->private_lock);  


36. }  

1. static inline void attach_page_buffers(struct page *page,  


2.         struct buffer_head *head)  


3. {  


4.     page_cache_get(page);/*递增引用计数*/  


5.     /*设置PG_private标志，通知内核其他部分，page实例的private成员正在使用中*/  


6.     SetPagePrivate(page);  


7.     /*将页的private成员设置为一个指向环形链表中第一个缓冲头的指针*/  


8.     set_page_private(page, (unsigned long)head);  


9. }  

交互

如果对内核的其他部分无益，那么在页和缓冲区之间建立关联就没起作用。一些与块设备之间的传输操作，传输单位的长度依赖于底层设备的块长度，而内核的许多部分更喜欢按页的粒度来执行I/O操作，因为这使得其他事情更容易处理，特别是内存管理方面。在这种场景下，缓冲头区充当了双方的中介。

从缓冲区中读取整页

首先考察内核在从块设备读取整页时采用的方法，以block_read_full_page为例。我们讨论缓冲区实现所关注的部分。

1. /* 


2.  * Generic “read page” function for block devices that have the normal 


3.  * get_block functionality. This is most of the block device filesystems. 


4.  * Reads the page asynchronously — the unlock_buffer() and 


5.  * set/clear_buffer_uptodate() functions propagate buffer state into the 


6.  * page struct once IO has completed. 


7.  */  


8. int block_read_full_page(struct page *page, get_block_t *get_block)  


9. {  


10.     struct inode *inode = page->mapping->host;  


11.     sector_t iblock, lblock;  


12.     struct buffer_head *bh, *head, *arr[MAX_BUF_PER_PAGE];  


13.     unsigned int blocksize;  


14.     int nr, i;  


15.     int fully_mapped = 1;  


16.   


17.     BUG_ON(!PageLocked(page));  


18.     blocksize = 1 << inode->i_blkbits;  


19.     /*检查页是否有相关联的缓冲区，如果没有，则创建他*/  


20.     if (!page_has_buffers(page))  


21.         create_empty_buffers(page, blocksize, 0);  


22.     /*获得这些缓冲区，无论是新建的还是已经存在的 


23.     只是将page的private成员转换为buffer_head指针，因为按照 


24.     惯例，private指向与page关联的第一个缓冲头*/  


25.     head = page_buffers(page);  


26.   


27.     iblock = (sector_t)page->index << (PAGE_CACHE_SHIFT – inode->i_blkbits);  


28.     lblock = (i_size_read(inode)+blocksize-1) >> inode->i_blkbits;  


29.     bh = head;  


30.     nr = 0;  


31.     i = 0;  


32.     /*内核遍历与页面关联的所有缓冲区*/  


33.     do {  


34.         /*如果缓冲区内容是最新的，内核继续处理下一个 


35.         缓冲区。在这种情况下，页面缓冲区中的数据与块 


36.         设备匹配，无需额外的读操作*/  


37.         if (buffer_uptodate(bh))  


38.             continue;  


39.         /*如果没有映射*/  


40.         if (!buffer_mapped(bh)) {  


41.             int err = 0;  


42.   


43.             fully_mapped = 0;  


44.             if (iblock < lblock) {  


45.                 WARN_ON(bh->b_size != blocksize);  


46.                 /*确定块在块设备上的位置*/  


47.                 err = get_block(inode, iblock, bh, 0);  


48.                 if (err)  


49.                     SetPageError(page);  


50.             }  


51.             if (!buffer_mapped(bh)) {  


52.                 zero_user(page, i * blocksize, blocksize);  


53.                 if (!err)  


54.                     set_buffer_uptodate(bh);  


55.                 continue;  


56.             }  


57.             /* 


58.              * get_block() might have updated the buffer 


59.              * synchronously 


60.              */  


61.             if (buffer_uptodate(bh))  


62.                 continue;  


63.         }  


64.         /*如果缓冲区已经建立了与块的映射，但是其内容不是最新 


65.         的则将缓冲区放置到一个临时的数组中*/  


66.         arr[nr++] = bh;  


67.     } while (i++, iblock++, (bh = bh->b_this_page) != head);  


68.   


69.     if (fully_mapped)  


70.         SetPageMappedToDisk(page);  


71.   


72.     if (!nr) {  


73.         /* 


74.          * All buffers are uptodate – we can set the page uptodate 


75.          * as well. But not if get_block() returned an error. 


76.          */  


77.         if (!PageError(page))  


78.             SetPageUptodate(page);  


79.         unlock_page(page);  


80.         return 0;  


81.     }  


82.   


83.     /* Stage two: lock the buffers */  


84.     for (i = 0; i < nr; i++) {  


85.         bh = arr[i];  


86.         lock_buffer(bh);  


87.         /*将b_end_io设置为end_buffer_async_read，该函数将在数据传输结构时 


88.         调用*/  


89.         mark_buffer_async_read(bh);  


90.     }  


91.   


92.     /* 


93.      * Stage 3: start the IO.  Check for uptodateness 


94.      * inside the buffer lock in case another process reading 


95.      * the underlying blockdev brought it uptodate (the sct fix). 


96.      */  


97.     for (i = 0; i < nr; i++) {  


98.         bh = arr[i];  


99.         if (buffer_uptodate(bh))  


100.             end_buffer_async_read(bh, 1);  


101.         else  


102.             /*将所有需要读取的缓冲区转交给块层 


103.             也就是BIO层，在其中开始读操作*/  


104.             submit_bh(READ, bh);  


105.     }  


106.     return 0;  


107. }  

将整页写入到缓冲区

除了读操作之外，页面的写操作也可以划分为更小的单位。只有页中实际修改的内容需要回写，而不用回写整页的内容。遗憾的是，从缓冲区的角度来看，写操作的实现比上述的读操作复杂的多。

__block_wirte_full_page函数中回写脏页面设计的缓冲区相关操作。

1. /* 


2.  * NOTE! All mapped/uptodate combinations are valid: 


3.  * 


4.  *  Mapped  Uptodate    Meaning 


5.  * 


6.  *  No  No      “unknown” – must do get_block() 


7.  *  No  Yes     “hole” – zero-filled 


8.  *  Yes No      “allocated” – allocated on disk, not read in 


9.  *  Yes Yes     “valid” – allocated and up-to-date in memory. 


10.  * 


11.  * “Dirty” is valid only with the last case (mapped+uptodate). 


12.  */  


13.   


14. /* 


15.  * While block_write_full_page is writing back the dirty buffers under 


16.  * the page lock, whoever dirtied the buffers may decide to clean them 


17.  * again at any time.  We handle that by only looking at the buffer 


18.  * state inside lock_buffer(). 


19.  * 


20.  * If block_write_full_page() is called for regular writeback 


21.  * (wbc->sync_mode == WB_SYNC_NONE) then it will redirty a page which has a 


22.  * locked buffer.   This only can happen if someone has written the buffer 


23.  * directly, with submit_bh().  At the address_space level PageWriteback 


24.  * prevents this contention from occurring. 


25.  * 


26.  * If block_write_full_page() is called with wbc->sync_mode == 


27.  * WB_SYNC_ALL, the writes are posted using WRITE_SYNC_PLUG; this 


28.  * causes the writes to be flagged as synchronous writes, but the 


29.  * block device queue will NOT be unplugged, since usually many pages 


30.  * will be pushed to the out before the higher-level caller actually 


31.  * waits for the writes to be completed.  The various wait functions, 


32.  * such as wait_on_writeback_range() will ultimately call sync_page() 


33.  * which will ultimately call blk_run_backing_dev(), which will end up 


34.  * unplugging the device queue. 


35.  */  


36. static int __block_write_full_page(struct inode *inode, struct page *page,  


37.             get_block_t *get_block, struct writeback_control *wbc,  


38.             bh_end_io_t *handler)  


39. {  


40.     int err;  


41.     sector_t block;  


42.     sector_t last_block;  


43.     struct buffer_head *bh, *head;  


44.     const unsigned blocksize = 1 << inode->i_blkbits;  


45.     int nr_underway = 0;  


46.     int write_op = (wbc->sync_mode == WB_SYNC_ALL ?  


47.             WRITE_SYNC_PLUG : WRITE);  


48.   


49.     BUG_ON(!PageLocked(page));  


50.   


51.     last_block = (i_size_read(inode) – 1) >> inode->i_blkbits;  


52.     /*页面是否有关联缓冲区，如果没有创建他*/  


53.     if (!page_has_buffers(page)) {  


54.         create_empty_buffers(page, blocksize,  


55.                     (1 << BH_Dirty)|(1 << BH_Uptodate));  


56.     }  


57.   


58.     /* 


59.      * Be very careful.  We have no exclusion from __set_page_dirty_buffers 


60.      * here, and the (potentially unmapped) buffers may become dirty at 


61.      * any time.  If a buffer becomes dirty here after we’ve inspected it 


62.      * then we just miss that fact, and the page stays dirty. 


63.      * 


64.      * Buffers outside i_size may be dirtied by __set_page_dirty_buffers; 


65.      * handle that here by just cleaning them. 


66.      */  


67.   


68.     block = (sector_t)page->index << (PAGE_CACHE_SHIFT – inode->i_blkbits);  


69.     head = page_buffers(page);  


70.     bh = head;  


71.   


72.     /* 


73.      * Get all the dirty buffers mapped to disk addresses and 


74.      * handle any aliases from the underlying blockdev’s mapping. 


75.      */  


76.      /*对所有未映射的脏缓冲区，在缓冲区和块设备 


77.     之间建立映射*/  


78.     do {  


79.         if (block > last_block) {  


80.             /* 


81.              * mapped buffers outside i_size will occur, because 


82.              * this page can be outside i_size when there is a 


83.              * truncate in progress. 


84.              */  


85.             /* 


86.              * The buffer was zeroed by block_write_full_page() 


87.              */  


88.             clear_buffer_dirty(bh);  


89.             set_buffer_uptodate(bh);  


90.         } else if ((!buffer_mapped(bh) || buffer_delay(bh)) &&  


91.                buffer_dirty(bh)) {  


92.             WARN_ON(bh->b_size != blocksize);  


93.             /*查找块设备上与缓冲区项匹配的块*/  


94.             err = get_block(inode, block, bh, 1);  


95.             if (err)  


96.                 goto recover;  


97.             clear_buffer_delay(bh);  


98.             if (buffer_new(bh)) {  


99.                 /* blockdev mappings never come here */  


100.                 clear_buffer_new(bh);  


101.                 unmap_underlying_metadata(bh->b_bdev,  


102.                             bh->b_blocknr);  


103.             }  


104.         }  


105.         bh = bh->b_this_page;  


106.         block++;  


107.     } while (bh != head);  


108.     /*第二遍遍历，将滤出所有的脏缓冲区*/  


109.     do {  


110.         if (!buffer_mapped(bh))  


111.             continue;  


112.         /* 


113.          * If it’s a fully non-blocking write attempt and we cannot 


114.          * lock the buffer then redirty the page.  Note that this can 


115.          * potentially cause a busy-wait loop from writeback threads 


116.          * and kswapd activity, but those code paths have their own 


117.          * higher-level throttling. 


118.          */  


119.         if (wbc->sync_mode != WB_SYNC_NONE || !wbc->nonblocking) {  


120.             lock_buffer(bh);  


121.         } else if (!trylock_buffer(bh)) {  


122.             redirty_page_for_writepage(wbc, page);  


123.             continue;  


124.         }  


125.         /*如果设置了脏页标志，则会在调用该函数时清除 


126.         因为缓冲区的内容将立即回写*/  


127.         if (test_clear_buffer_dirty(bh)) {  


128.             /*设置BH_Async_Write状态位，并将end_buffer_async_write 


129.             指定为BIO完成处理程序即b_end_io*/  


130.             mark_buffer_async_write_endio(bh, handler);  


131.         } else {  


132.             unlock_buffer(bh);  


133.         }  


134.     } while ((bh = bh->b_this_page) != head);  


135.   


136.     /* 


137.      * The page and its buffers are protected by PageWriteback(), so we can 


138.      * drop the bh refcounts early. 


139.      */  


140.     BUG_ON(PageWriteback(page));  


141.     set_page_writeback(page);  


142.     /*最后一次遍历*/  


143.     do {  


144.         struct buffer_head *next = bh->b_this_page;  


145.         if (buffer_async_write(bh)) {  


146.             /*将前一次遍历中标记为BH_Async_Write的所有缓冲区 


147.             转交给块层执行实际的写操作，该函数向块层提交 


148.             了对应的请求*/  


149.             submit_bh(write_op, bh);  


150.             nr_underway++;  


151.         }  


152.         bh = next;  


153.     } while (bh != head);  


154.     unlock_page(page);  


155.   


156.     err = 0;  


157. done:  


158.     if (nr_underway == 0) {  


159.         /* 


160.          * The page was marked dirty, but the buffers were 


161.          * clean.  Someone wrote them back by hand with 


162.          * ll_rw_block/submit_bh.  A rare case. 


163.          */  


164.         end_page_writeback(page);  


165.   


166.         /* 


167.          * The page and buffer_heads can be released at any time from 


168.          * here on. 


169.          */  


170.     }  


171.     return err;  


172.   


173. recover:  


174.     /* 


175.      * ENOSPC, or some other error.  We may already have added some 


176.      * blocks to the file, so we need to write these out to avoid 


177.      * exposing stale data. 


178.      * The page is currently locked and not marked for writeback 


179.      */  


180.     bh = head;  


181.     /* Recovery: lock and submit the mapped buffers */  


182.     do {  


183.         if (buffer_mapped(bh) && buffer_dirty(bh) &&  


184.             !buffer_delay(bh)) {  


185.             lock_buffer(bh);  


186.             mark_buffer_async_write_endio(bh, handler);  


187.         } else {  


188.             /* 


189.              * The buffer may have been set dirty during 


190.              * attachment to a dirty page. 


191.              */  


192.             clear_buffer_dirty(bh);  


193.         }  


194.     } while ((bh = bh->b_this_page) != head);  


195.     SetPageError(page);  


196.     BUG_ON(PageWriteback(page));  


197.     mapping_set_error(page->mapping, err);  


198.     set_page_writeback(page);  


199.     do {  


200.         struct buffer_head *next = bh->b_this_page;  


201.         if (buffer_async_write(bh)) {  


202.             clear_buffer_dirty(bh);  


203.             submit_bh(write_op, bh);  


204.             nr_underway++;  


205.         }  


206.         bh = next;  


207.     } while (bh != head);  


208.     unlock_page(page);  


209.     goto done;  


210. }