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大家好下面我们来开始讲文件系统的第四讲

页高速缓存以及读写

那么文件系统的读写单位是什么呢文件系统的读写单位是块

一个块的大小是多少呢一个块的大小是2的n次方个扇区

比如说1k 2k 4k或者4M 等等

我们来看一下一个进程从发出读写请求到

读到数据一个简要的过程 如图所示

当用户通过write系统调用呢

给文件中写数据的时候呢首先呢

与用户态的I/O缓冲区打交道

然后逻辑文件中的写指针进行移动

那么真正的写入其实还没有发生

然后就陷入到内核态

那么用户态缓冲区的数据呢就

被搬到内核态缓冲区中

这个缓冲区就是page cache

到最后到底是如何把数据真正写入磁盘我们继续探究下去

我们看一下从buffer cache到page cache

buffer cache是面向底层块设备的

所以它的粒度是文件系统中的块

块设备和系统采用块进行交换

块再转换成磁盘的基本物理结构扇区

扇区和块之间是可以快速转换的

这就涉及到页高速缓存

随着内核的功能越来越完善

块粒度的缓存已经不能满足性能的需要

内核的内存管理组件

采用了比文件系统的块更高级别的抽象-页(page)

页的大小一般从4KB到2MB,粒度更大

处理的性能更高所以

缓存组件为了和内存管理组件更好地交互

创建了页缓存

page cache来代替原来的buffer cache

页缓存是面向文件面向内存的

通过一系列的数据结构比如inode

address_space, page将一个文件映射到页的级别

通过page + offset呢

就可以定位到一个文件的具体位置

下面我们来描述一下

页缓存的主要数据结构address_space对象

这里给出了这个数据结构的

源代码中的主要域以及相应的解释

我们可以看到其中第一个字段是host

每一个所有者可以理解为一个具体的文件

也就是一个inode指向的文件

它对应着一个address_space对象

页高速缓存的多个页可能属于一个所有者

从而可以链接到一个address_space对象

那么一个页（page）怎么和一个address_space

产生关联的呢

我们给出page对象

这个数据结构中有两个字段

mapping和index其中mapping指向该页

所有者的address_space

index字段表示所有者地址空间中

以页大小为单位的偏移量

用这两个字段就能在页高速缓存中

进行查找

那么索引节点页

或页缓存之间到底是什么样的关系呢

我们首先看一个inode节点对象呢

对应一个address_space对象

其中inode节点对象的

i_mapping和i_data字段

指向相应的 address_space对象

而address_space对象的host字段呢

指向对应的inode节点对象

每个address_space对象对应一颗基树

他们之间的联系是通过address_space对象中的

page_tree字段指向该

address_space对象对应的基树

一般情况下一个inode节点对象

对应的文件或者是块设备呢

都会包含多个页面的内容

所以一个inode对象对应多个page描述符

同一个文件拥有的所有page描述符呢

都可以在该文件对应的基树中找到

那么它们之间的关系呢如图所示

那么如何读取一个文件我们给出一个例子

假设一个进程reader要读取一个my.dat文件

实际发生的步骤如下

首先reader进程向内核发起读文件的请求

内核根据所读文件的inode呢

找到对应的address_space

在address_space中查找页缓存

如果没有找到数据

那么分配一个内存页加入到页缓存中

从磁盘中读取该文件相应的页呢

且填充页缓存中的页也就是第一次复制

然后呢从页缓存的页

复制内容到

reader进程堆空间的内存中也就是第二次复制

最后呢最后物理内存的内容就是这样的

同一个文件my.dat的内容呢

存在在两份拷贝中

一份是页缓存一份是用户进程的

堆空间对应的物理内存

下面呢我们来说一下如何写入文件

文件的读过程了解以后

我们继续来看文件的写入

从用户态来看文件的写入

与读取操作函数原型非常的相似

只是数据的流向不一样

从内核的角度来看

写文件对应的系统调用服务例程为sys_write

其对应的与读取的数据处理流程

基本上是相似的

只是将相应的函数中的read改为了write

对于写操作Linux同样采用了缓存技术

但这里的缓存跟文件读取用到的有些不一样

对于文件的写入考虑到一页数据页中呢

可能只是某一块数据发生了改变

这里写的过程结合了块缓冲技术

也就是说如果发现了脏页只是把

发生写入的脏块回写到磁盘即可

如图所示Write系统调用并不等数据

写入磁盘后才返回

这里Linux采用的是延迟写技术也就是说

当write把数据写入到

页高速缓冲的时候呢

write系统调用将此页标识为脏页

就返回到用户态了

而具体的脏页何时写入磁盘

内核有其他的机制负责写入

内核利用线程pdflush

更新页缓冲中的数据到磁盘

提供相应的系统调用比如sync这样的系统调用

由用户显式地通知内核写回未同步的数据

前边我们通过

写操作和读操作呢把整个的流程简要的概述

那么下面我们给出参考资料

依然是大家深入钻研

深入理解Linux内核 第三版

第十二章第十八章

深入Linux内核架构的第八章

最后大家带着疑问上路

请分析从一个文件读取数据的过程

page cache到底起什么样的作用大家一定要

亲自去读源代码亲自去感受 好 谢谢大家