[原]UNIX内核（3）：磁盘读写以及磁盘缓冲的利弊

“UNIX内核（2）：磁盘缓冲原理，缓冲分配、回收及用OO观点建模”对UNIX磁盘缓冲的分配回收做了大致的说明，并给出了一些代码范例。本文将对磁盘的读写以及使用磁盘缓冲的利弊进行一下简要说明。

 

读取磁盘块
为了读取一个磁盘块，进程需要调用getblk来获取缓冲。如果能在hash Q上找到该缓冲，那么内核就能够立刻获得数据。否则，内核将向磁盘驱动提交一个读请求并且休眠，直到数据就绪。

 

读取数据块的伪代码如下：

BufferHeader * bread (int fs_blk_no)

{
    getblk(fs_blk_no);
    if (buffer的数据有效)
       返回该buffer;
    发起读磁盘请求;
    sleep (读磁盘完成事件);
    返回该buffer;

}

Linux 0.99.15的实现如下：
struct buffer_head * bread(dev_t dev, int block, int size)
{
    struct buffer_head * bh;

    if (!(bh = getblk(dev, block, size))) { // 几乎不可能发生
        printk("VFS: bread: READ error on device %d/%d\n",
                        MAJOR(dev), MINOR(dev));
        return NULL;
    }
    if (bh->b_uptodate)
        return bh;
    ll_rw_block(READ, 1, &bh); // 发起一个读请求（该函数可以发起多个读请求）
    wait_on_buffer(bh); // sleep
    if (bh->b_uptodate)
        return bh;
    brelse(bh); // 找到不合适的buffer
    return NULL;
}

 

磁盘驱动将向磁盘控制器发出读请求，控制器接受请求并开始与驱动传递数据。当数据传输完成，控制器发出一个中断来通知CPU数据就绪。该中断的处理例程将唤醒等待的进程。此时数据也处于可用状态。需要使用数据的进程便能够访问该缓冲中的数据。一旦使用完，进程便释放缓冲。

预读数据
为了提高性能，根据临近原则，可以预读下一个数据块。此时采用异步读，完成之后磁盘控制器发出一个中断，在处理中断过程中需要将包含有预读数据的buffer释放以供后续使用（如果不释放该buffer，那么就需要由发起异步读的进程来释放，而异步读的策略就是，发出读取请求后就不管了，因为请求者不需要该数据）。在异步读处理中，首先读取第一块数据（与bread()一样），然后读取第二块buffer。第一块数据的读取需要同步，而第二块数据（预读数据）为异步读取，由中断处理例程根据该读取请求为异步而直接释放该buffer。其伪代码如下：

BufferHeader * breada(int blk_no_immediate, int blk_no_asyn)
{
    if (blk_no_immediate不在缓冲中)
    {
        getblk(blk_no_immediate);
        if (buffer的数据无效)
            发起读磁盘请求;
    }
    if (blk_no_asyn不在缓冲中)
    {
        getblk(blk_no_asyn);
        if (buffer的数据无效)
            发起读磁盘请求;
        else
            brelse(getblk()返回的buffer;
    }
    sleep (读blk_no_immediate磁盘块完成事件);
    返回该buffer;
}

Linux 0.99.15的实现（省略一些“次要”代码）：
struct buffer_head * breada(dev_t dev,int first, ...)
{
    va_list args;
    unsigned int blocksize;
    struct buffer_head * bh, *tmp;

    va_start(args,first);
    ……
    if (!(bh = getblk(dev, first, blocksize))) { // 几乎不可能发生
        printk("VFS: breada: READ error on device %d/%d\n",
                        MAJOR(dev), MINOR(dev));
        return NULL;
    }
    if (!bh->b_uptodate)
        ll_rw_block(READ, 1, &bh); // 发起一个读请求（该函数可以发起多个读请求）
    while ((first=va_arg(args,int))>=0) { // 预读一个或多个块（视参数个数而定）
        tmp = getblk(dev, first, blocksize);
        if (tmp) {
            if (!tmp->b_uptodate)
                ll_rw_block(READA, 1, &tmp);
            tmp->b_count--;
        }
    }
    va_end(args);
    wait_on_buffer(bh); // 等待读blk_no_immediate磁盘块完成事件
    if (bh->b_uptodate)
        return bh;
    brelse(bh);
    return (NULL);
}

由于预读操作完成后会由中断处理例程来释放buffer，这样，将导致freelist的不完整性。因此，在brelse()中，freelist不仅需要加锁保护，还需要屏蔽中断（此处仅仅需要屏蔽磁盘中断）。

写磁盘块
类似地，内核通知磁盘驱动要写一个buffer到磁盘上，磁盘驱动将安排一个I/O。如果是同步写，那么发出写请求的进程将进入睡眠状态直到操作完成。如果是异步写，那么发出请求的进程将不会等待。同样，该buffer将在中断处理例程中被释放。

需要注意的是delay-write和异步写的区别。delay-write表示该buffer被标识为延迟写，然后释放该buffer。等待该buffer被重新分配时才会请求磁盘驱动调度一个写操作。这样的话，如果另一个进程对该buffer又作了修改，就只有一个写操作，而不是同/异步写中的两个操作，这也达到了节约I/O资源的目的。

由于异步写操作同样需要由中断处理例程来释放缓冲，磁盘中断必须屏蔽掉。

写磁盘操作的伪代码如下：
void bwrite(BufferHeader * input)
{
    发起写磁盘请求;
    if (同步I/O)
    {
        sleep (I/O完成事件);
        brelse (input);
    }
    else if (delay-write)
        标记该buffer并将其放在freelist的首部;
}

在实际的实现中（如Linux0.99.15），需要考虑到定期同步buffer与磁盘等，因此实现都比较复杂，此处就不加以讨论。大家要是有兴趣可以自己研究下。

使用磁盘缓冲的利与弊
利：

1. 统一磁盘访问接口，使系统设计变得简单。
2. 程序员无需考虑数据对齐。
3. 减少磁盘访问量，从而减少拥堵，增加了系统的吞吐量并且减少了访问时间。（想象一下北京车少了，但是每辆车装的人多了会怎样，呵呵）
4. 保证磁盘数据的完整性。

弊：

1. 延迟写机制在系统崩溃时将导致数据错误。
2. 无法确定数据在何时会真正写到磁盘上（甚至fflush()都无法保证）。
3. 额外的数据拷贝（用户进程<-->内核<-->磁盘）将导致大数据量时性能下降。

参考：

The Design of The UNIX Operation System, by Maurice J. Bach

Linux Kernel Source Code v0.99.15, by Linus Torvalds
 

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