Linux 0.11源码阅读笔记-文件IO流程

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所属分类:linux技术
摘要

用户进程read、write在高速缓冲块上读写数据,高速缓冲块和块设备交换数据。


文件IO流程

用户进程read、write在高速缓冲块上读写数据,高速缓冲块和块设备交换数据。

  • 什么时机将磁盘块数据读到缓冲块?
  • 什么时机将缓冲块数据刷到磁盘块?

Linux 0.11源码阅读笔记-文件IO流程

函数调用关系

  • read/write(c库函数,通过int 80调用sys_read/sys_write)
    • sys_read/sys_write
      • block_read/block_write
        • breada
          • getblk
            • sync_dev
          • ll_rw_block

sys_read与sys_write

代码文件:linux-0.11/fs/read_write.c

系统调用sys_read与sys_write是内核提供给用户程序调用的IO接口。若IO设备是块设备,底层分别调用block_read与block_write进行块设备的读写。

sys_read

int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count) { 	struct file * file; 	struct m_inode * inode;      // 通过文件描述符,在file表中找到file结构地址 	if (fd>=NR_OPEN || count<0 || !(file=current->filp[fd])) 		return -EINVAL; 	if (!count) 		return 0;  	verify_area(buf,count); 	inode = file->f_inode;	// 通过file的f_inode访问inode节点          //判断是什么设备:管道、字符设备、块设备     //如果是块设备,调用block_read读块设备 	if (inode->i_pipe) 		return (file->f_mode&1)?read_pipe(inode,buf,count):-EIO; 	if (S_ISCHR(inode->i_mode)) 		return rw_char(READ,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos); 	if (S_ISBLK(inode->i_mode)) 		return block_read(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count);  	if (S_ISDIR(inode->i_mode) || S_ISREG(inode->i_mode)) { 		if (count+file->f_pos > inode->i_size) 			count = inode->i_size - file->f_pos; 		if (count<=0) 			return 0; 		return file_read(inode,file,buf,count); 	}      	printk("(Read)inode->i_mode=%06onr",inode->i_mode); 	return -EINVAL; } 

sys_write

int sys_write(unsigned int fd,char * buf,int count) { 	struct file * file; 	struct m_inode * inode;  	if (fd>=NR_OPEN || count <0 || !(file=current->filp[fd])) 		return -EINVAL; 	if (!count) 		return 0;          //判断是什么设备:管道、字符设备、块设备     //如果是块设备,调用block_write读块设备 	inode=file->f_inode; 	if (inode->i_pipe) 		return (file->f_mode&2)?write_pipe(inode,buf,count):-EIO; 	if (S_ISCHR(inode->i_mode)) 		return rw_char(WRITE,inode->i_zone[0],buf,count,&file->f_pos); 	if (S_ISBLK(inode->i_mode)) 		return block_write(inode->i_zone[0],&file->f_pos,buf,count); 	if (S_ISREG(inode->i_mode)) 		return file_write(inode,file,buf,count);      	printk("(Write)inode->i_mode=%06onr",inode->i_mode); 	return -EINVAL; } 

block_read与block_write

block_read与block_write负责块设备的读写。他们底层调用breada函数获取缓冲块,然后在缓冲块上读写数据。

block_write

代码文件:linux-0.11/fs/block_dev.c

int block_write(int dev, long * pos, char * buf, int count) { 	int block = *pos >> BLOCK_SIZE_BITS;// pos所在文件数据块号 	int offset = *pos & (BLOCK_SIZE-1); // pos在数据块中偏移值 	int chars; 	int written = 0; 	struct buffer_head * bh;			//指向当前写缓冲块 	register char * p;      // 向缓冲块中写数据,通过getblk获取缓冲块,获取缓冲块的同时会读取磁盘块数据到缓冲块     // 数据量较多时,通过bread一次性缓存3个磁盘块数据到缓冲块,减小磁盘IO次数 	while (count>0) { 		chars = BLOCK_SIZE - offset; 		if (chars > count) 			chars=count; 		if (chars == BLOCK_SIZE)             //获取高速缓冲块,并建立其与磁盘块的映射关系 			bh = getblk(dev,block);	 		else             // 读取的数据超过一个磁盘块,调用breada读多个块             // breada底层调用getblk缓存3个连续磁盘块的数据 			bh = breada(dev,block,block+1,block+2,-1); 		block++; 		if (!bh) 			return written?written:-EIO;          		p = offset + bh->b_data; 		offset = 0; 		*pos += chars; 		written += chars; 		count -= chars; 		while (chars-->0) 			*(p++) = get_fs_byte(buf++);                  //完成对缓冲块的数据写入后,设置缓冲块的修改位dirt,然后释放缓冲块(引用计数减一) 		bh->b_dirt = 1; 		brelse(bh); 	} 	return written; }  

block_read

代码文件:linux-0.11/fs/block_dev.c

int block_read(int dev, unsigned long * pos, char * buf, int count) { 	int block = *pos >> BLOCK_SIZE_BITS; 	int offset = *pos & (BLOCK_SIZE-1); 	int chars; 	int read = 0; 	struct buffer_head * bh; 	register char * p;  	while (count>0) { 		chars = BLOCK_SIZE-offset; 		if (chars > count) 			chars = count; 		if (!(bh = breada(dev,block,block+1,block+2,-1))) 			return read?read:-EIO; 		block++;          		p = offset + bh->b_data; 		offset = 0; 		*pos += chars; 		read += chars; 		count -= chars; 		while (chars-->0) 			put_fs_byte(*(p++),buf++);          		//完成对缓冲块的数据读取之后,释放缓冲块(引用计数减一)         brelse(bh); 	} 	return read; } 

bread

代码文件:linux-0.11/fs/buffer.c

  • bread:块读取函数
  • breada:块提前预读函数
  • bread_page:页块读取函数,一个内存页通常为4k大小、磁盘块通常为1k大小

bread、breada、bread_page三者功能相似,用法不同。三者均会调用getblk获取缓冲块,并调用ll_rw_block读数据到缓冲块。

struct buffer_head * bread(int dev,int block) { 	struct buffer_head * bh;  	if (!(bh=getblk(dev,block))) 		panic("bread: getblk returned NULLn"); 	if (bh->b_uptodate) 		return bh;          // 调用ll_rw_block读磁盘块数据到缓冲区 	ll_rw_block(READ,bh); 	wait_on_buffer(bh); 	if (bh->b_uptodate) 		return bh; 	brelse(bh); 	return NULL; } 

getblk

代码文件:linux-0.11/fs/buffer.c

bread系列函数通过getblk获取缓冲块,在必要的时候,会调用sync_dev函数将脏缓冲块数据写入磁盘。

getblk代码逻辑复杂,需要对资源可用性进行复杂的检查。资源不可用时,需要睡眠,被唤醒之后又要进行一些检查判断资源是否可用。复杂逻辑可以暂时不考虑,避免陷入代码细节。

仅考虑getblk获取空闲块之后的代码逻辑。getblk获取可用缓冲块后,若缓冲块dirt位为1,表示缓冲块有数据未同步到磁盘,getblk将调用sync_dev将数据同步到磁盘,然后占用该缓冲块。

struct buffer_head * getblk(int dev,int block) { 	struct buffer_head * tmp, * bh;  repeat:     // 搜索hash表,如果指定块已经在高速缓冲中,则返回对应缓冲区头指针,退出。 	if ((bh = get_hash_table(dev,block))) 		return bh;     // 扫描空闲数据块链表,寻找空闲缓冲区。 	tmp = free_list; 	do {         // 如果该缓冲区正被使用(引用计数不等于0) 		if (tmp->b_count) 			continue;                  // 找到可用缓冲块,且满足一些条件 		if (!bh || BADNESS(tmp)<BADNESS(bh)) { 			bh = tmp; 			if (!BADNESS(tmp)) 				break; 		} /* and repeat until we find something good */ 	} while ((tmp = tmp->b_next_free) != free_list);          // 没有可用缓冲块,则睡眠等待有空闲缓冲块可用。     // 当有空闲缓冲块可用时本进程会被的唤醒。 	if (!bh) { 		sleep_on(&buffer_wait); //睡眠在缓冲区上 		goto repeat; 	}    	     //等待缓冲区解锁? 	wait_on_buffer(bh); 	if (bh->b_count) 		goto repeat;   	     // 分配到的缓冲块dirt位为1(表示有数据未同步到磁盘)     // 调用sync_dev将数据同步到磁盘,并睡眠在该缓冲块上 	while (bh->b_dirt) { 		sync_dev(bh->b_dev); 		wait_on_buffer(bh); 		if (bh->b_count) 			goto repeat; 	} /* NOTE!! While we slept waiting for this block, somebody else might */ /* already have added "this" block to the cache. check it */ 	if (find_buffer(dev,block)) 		goto repeat; /* OK, FINALLY we know that this buffer is the only one of it's kind, */ /* and that it's unused (b_count=0), unlocked (b_lock=0), and clean */          // 对空闲缓冲块的处理     // 占用空闲缓冲块。置引用计数为1,复位修改标志和有效(更新)标志。 	bh->b_count=1; 	bh->b_dirt=0; 	bh->b_uptodate=0;     // 从原hash队列和空闲队列块链表中移出该缓冲区头。根据此新的设备号和块号重新插入空闲链表和hash队列     // 让该缓冲区用于指定设备和其上的指定块。     // 根据此新的设备号和块号重新哈希,并插入响应的hash队列 	remove_from_queues(bh); 	bh->b_dev=dev; 	bh->b_blocknr=block; //加锁 	insert_into_queues(bh); 	return bh; } 

sync_dev

代码文件:linux-0.11/fs/buffer.c

调用ll_rw_block将缓冲块内数据写入磁盘。getblk管理缓冲块时,若其它进程需要某缓冲块,且缓冲块具有脏(dirt位为1)数据,调用sync_dev将数据写入磁盘。

int sync_dev(int dev) { 	int i; 	struct buffer_head * bh;  	bh = start_buffer; 	for (i=0 ; i<NR_BUFFERS ; i++,bh++) { 		if (bh->b_dev != dev) 			continue; 		wait_on_buffer(bh); 		if (bh->b_dev == dev && bh->b_dirt)             // 调用ll_rw_block写缓冲区数据到磁盘块 			ll_rw_block(WRITE,bh); 	}  	bh = start_buffer; 	for (i=0 ; i<NR_BUFFERS ; i++,bh++) { 		if (bh->b_dev != dev) 			continue; 		wait_on_buffer(bh); 		if (bh->b_dev == dev && bh->b_dirt) 			ll_rw_block(WRITE,bh); 	} 	return 0; } 

ll_rw_block

代码文件:linux-0.11/kernel/blk_drv/ll_rw_blk.c

将缓冲块的数据写入磁盘块,获将磁盘块数据读入缓冲块,底层通过设备请求队列完成读写。

void ll_rw_block(int rw, struct buffer_head * bh) { 	unsigned int major;  	if ((major=MAJOR(bh->b_dev)) >= NR_BLK_DEV || 	!(blk_dev[major].request_fn)) { 		printk("Trying to read nonexistent block-devicenr"); 		return; 	}          // 将读写请求加入设备请求队列 	make_request(major,rw,bh); } 

设备中断处理程序

代码文件:linux-0.11/kernel/blk_drv/hd.c

  • 读完成中断处理程序

设备完成读扇区数据后,发出读中断,读中断处理程序read_intr执行。若当前读请求还有数据要读,则继续完成当前请求的数据读。因为,一次读请求可能读若干连续扇区数据,磁盘每次只能写读一个扇区数据。完成一次读请求的所有数据读之后,将调用do_hd_request处理下一个写请求。

static void read_intr(void) { 	if (win_result()) { 		bad_rw_intr(); 		do_hd_request(); 		return; 	} 	port_read(HD_DATA,CURRENT->buffer,256); 	CURRENT->errors = 0; 	CURRENT->buffer += 512; 	CURRENT->sector++; 	if (--CURRENT->nr_sectors) { 		do_hd = &read_intr; 		return; 	} 	end_request(1); 	do_hd_request(); } 
  • 写完成中断处理程序

与写完成中断处理程序过程类似。

static void write_intr(void) { 	if (win_result()) { 		bad_rw_intr(); 		do_hd_request(); //处理下一个请求 		return; 	} 	if (--CURRENT->nr_sectors) { 		CURRENT->sector++; 		CURRENT->buffer += 512; 		do_hd = &write_intr; 		port_write(HD_DATA,CURRENT->buffer,256); 		return; 	} 	end_request(1); 	do_hd_request(); } 
  • 处理读写队列请求

处理设备请求队列的读写请求。设备中断处理程序不断调用do_hd_request处理请求队列,直到请求队列为空。

void do_hd_request(void) { 	int i,r = 0; 	unsigned int block,dev; 	unsigned int sec,head,cyl; 	unsigned int nsect;  	INIT_REQUEST; 	dev = MINOR(CURRENT->dev); 	block = CURRENT->sector; 	if (dev >= 5*NR_HD || block+2 > hd[dev].nr_sects) { 		end_request(0); 		goto repeat; 	} 	block += hd[dev].start_sect; 	dev /= 5; 	__asm__("divl %4":"=a" (block),"=d" (sec):"0" (block),"1" (0), 		"r" (hd_info[dev].sect)); 	__asm__("divl %4":"=a" (cyl),"=d" (head):"0" (block),"1" (0), 		"r" (hd_info[dev].head)); 	sec++; 	nsect = CURRENT->nr_sectors; 	if (reset) { 		reset = 0; 		recalibrate = 1; 		reset_hd(CURRENT_DEV); 		return; 	} 	if (recalibrate) { 		recalibrate = 0; 		hd_out(dev,hd_info[CURRENT_DEV].sect,0,0,0, 			WIN_RESTORE,&recal_intr); 		return; 	}	 	if (CURRENT->cmd == WRITE) { 		hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_WRITE,&write_intr); 		for(i=0 ; i<3000 && !(r=inb_p(HD_STATUS)&DRQ_STAT) ; i++) 			/* nothing */ ; 		if (!r) { 			bad_rw_intr(); 			goto repeat; 		} 		port_write(HD_DATA,CURRENT->buffer,256); 	} else if (CURRENT->cmd == READ) { 		hd_out(dev,nsect,sec,head,cyl,WIN_READ,&read_intr); 	} else 		panic("unknown hd-command"); }