linux IO子系统和文件系统读写流程分析

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以下内容的分析是基于2.6.32及其后的内核.

7 ~% Z5 S; c9 Y5 \我们在linux上总是要保存数据，数据要么保存在文件系统里（如ext3），要么就保存在裸设备里。我们在使用这些数据的时候都是通过文件这个抽象来访问的，操作系统会把我们需要的数据提交给我们，而我们则无需和块设备打交道。

+ I3 {- t& H. r/ r/ V从下图，我们可以清除的看到：
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I/O子系统是个层次很深的系统，数据请求从用户空间最终到达磁盘，经过了复杂的数据流动。

9 o+ F& l2 y) Y/ v对设驱开发人员或与此相关的设计人员，特别是IO很密集，我们就需要搞清楚IO具体是如何动作的，免得滥用IO和导致设计问题。

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1 f, r1 N) R  |0 S! _IBM developworks中，〈read系统调用剖析〉阐述就很清楚。

read系统调用的处理分为用户空间和内核空间处理两部分。其中，用户空间处理只是通过0x80中断陷入内核，接着调用其中断服务例程，即sys_read以进入内核处理流程。

  n6 Q( j  U  s/ _8 u/ D对于read系统调用在内核的处理，如上图所述，经过了VFS、具体文件系统，如ext2、页高速缓冲存层、通用块层、IO调度层、设备驱动层、和设备层。其中，VFS主要是用来屏蔽下层具体文件系统操作的差异，对上提供一个统一接口，正是因为有了这个层次，所以可以把设备抽象成文件。具体文件系统，则定义了自己的块大小、操作集合等。引入cache层的目的，是为了提高IO效率。它缓存了磁盘上的部分数据，当请求到达时，如果在cache中存在该数据且是最新的，则直接将其传递给用户程序，免除了对底层磁盘的操作。通用块层的主要工作是，接收上层发出的磁盘请求，并最终发出IO请求（BIO）。IO调度层则试图根据设置好的调度算法对通用块层的bio请求合并和排序，回调驱动层提供的请求处理函数，以处理具体的IO请求。驱动层的驱动程序对应具体的物理设备，它从上层取出IO请求，并根据该IO请求中指定的信息，通过向具体块设备的设备控制器发送命令的方式，来操纵设备传输数据。设备层都是具体的物理设备。


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" G5 m% w" |* ~3 b/ g9 K3 G% ~* ZVFS层：
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# E9 F/ X6 N6 G' ^) G' [  V8 t内核函数sys_read是read系统调用在该层的入口点。
: n5 N7 T5 N2 D( ~) M2 d% q% P
它根据文件fd指定的索引，从当前进程描述符中取出相应的file对象，并调用vfs_read执行文件读取操作。

+ p4 P9 }( Q# ]vfs_read会调用与具体文件相关的read函数执行读取操作，file->f_op.read。
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4 t( `5 d$ m4 ?8 ^+ ?* E4 e" I3 @然后，VFS将控制权交给了ext2文件系统。（ext2在此作为示例，进行解析）

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Ext2文件系统层的处理
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通过ext2_file_operations结构知道，上述函数最终会调用到do_sync_read函数，它是系统通用的读取函数。所以说，do_sync_read才是ext2层的真实入口。

该层入口函数 do_sync_read 调用函数 generic_file_aio_read ，后者判断本次读请求的访问方式，如果是直接 io （filp->f_flags 被设置了 O_DIRECT 标志，即不经过 cache）的方式，则调用 generic_file_direct_IO 函数；如果是 page cache 的方式，则调用 do_generic_file_read 函数。它会判断该页是否在页高速缓存，如果是，直接将数据拷贝到用户空间。如果不在，则调用page_cache_sync_readahead函数执行预读（检查是否可以预读），它会调用mpage_readpages。如果仍然未能命中（可能不允许预读或者其它原因），则直接跳转readpage，执行mpage_readpage，从磁盘读取数据。
" [# r% k) N) p% l
# K, M% ~( N7 k* ~! e! b在mpage_readpages(一次读多个页)中，它会将连续的磁盘块放入同一个BIO，并延缓BIO的提交，直到出现不连续的块，则直接提交BIO，再继续处理，以构造另外的BIO。

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2 X, u& U3 i2 i# J8 }6 s
文件的 page cache 结构

& A7 z) d0 e, q! @- \图5显示了一个文件的 page cache 结构。文件被分割为一个个以 page 大小为单元的数据块,这些数据块（页）被组织成一个多叉树（称为 radix 树）。树中所有叶子节点为一个个页帧结构（struct page），表示了用于缓存该文件的每一个页。在叶子层最左端的第一个页保存着该文件的前4096个字节（如果页的大小为4096字节），接下来的页保存着文件第二个4096个字节，依次类推。树中的所有中间节点为组织节点，指示某一地址上的数据所在的页。此树的层次可以从0层到6层，所支持的文件大小从0字节到16 T 个字节。树的根节点指针可以从和文件相关的 address_space 对象（该对象保存在和文件关联的 inode 对象中）中取得（更多关于 page cache 的结构内容请参见参考资料）。
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1 [! o, O% A2 k% P# K; X! i: G& ~' Impage处理机制就是page cache层要处理的问题。
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通用块层

) x" f. T! i: D' l5 y6 y' `: E9 y( r/ N在缓存层处理末尾，执行mpage_submit_bio之后，会调用generic_make_request函数。这是通用块层的入口函数。

, w! Y' j' A4 ?: k+ J, I它将bio传送到IO调度层进行处理。
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+ Y( D, r! c3 C6 P/ X0 PIO调度层
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4 F2 ?3 k$ F  P3 d  P: f+ b5 R* C对bio进行合并、排序，以提高IO效率。然后，调用设备驱动层的回调函数，request_fn，转到设备驱动层处理。
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, C( j% y/ F+ l6 Q  X设备驱动层

4 d3 |. L1 c# rrequest函数对请求队列中每个bio进行分别处理，根据bio中的信息向磁盘控制器发送命令。处理完成后，调用完成函数end_bio以通知上层完成。

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