Linux运用一个功能广泛的缓冲和缓存框架来提高系统的速度。缓冲和缓存利用一部分系统物理内存，确保最重要、最常使用的块设备数据在操作时可直接从主内存获取，而无需从低速设备读取。物理内存还用于存储从快设备读取的数据，使得随后对该数据的访问可直接在物理内存进行，而无需从外部设备再次取用。考虑系统中多种因素然后延迟写回在总体上改进了系统的性能。前面分析的部分，例如内存管理的slab缓存是一个内存到内存的缓存，其目地不是加速对低速设备的操作，而是对现有资源进行更简单、更高效的使用。文件系统的Dentry缓存也用于减少对低速块设备的访问，但他无法推广到通用场合，因为他是专门用于处理单一数据类型的。内核为块设备提供了两种通用的缓存方案：1) 页缓存，针对以页为单位的所有操作，并考虑了特定体系结构上的页长度。一个主要的例子是内存映射技术。因为其他类型的文件访问也是基于内核中的这一技术实现的。所以页缓存实际上负责了块设备的大部分缓存工作。2) 块缓存，以块为操作单位。在进行I/O操作时，存取的单位是设备的各个块，而不是整个内存页。尽管页长度对所有文件系统都是相同的，但块长度取决于特定的文件系统或其设置。因而，块缓存必须能够处理不同长度的块。目前用于块传输的标准数据结构已经演变为struct bio.用这种方式进行块传输更为高效，因为他可以合并同一请求中后续的块，加速处理的进行。在许多场合下，页缓存和块缓存是联合使用的。例如，一个缓存的页在写操作期间可以划分为不同的缓冲区，这样可以在更细的力度下，识别出页被修改的部分。好处在于，在将数据写回时，只需要回写被修改的部分，无需将这个页面传输回底层的块设备。 页面缓存结构[cpp] view plaincopyprint？ /*高速缓存的核心数据结构，对块设备的读写操作都放在该结构体里*/ structaddress_space { /*与地址空间所管理的区域之间的关联数据结构之一inode结构指定了后备存储器*/ struct inode *host; /* owner： inode， block_device */ /*与地址空间所管理的区域之间的关联之二，page_tree列出了地址空间中所有的物理内存页*/ struct radix_tree_root page_tree; /* radix tree of all pages */ spinlock_t tree_lock; /* and lock protecting it */ /*所有用VM_SHARED属性创建的映射*/ unsigned int i_mmap_writable;/* count VM_SHARED mappings */ /*基数根节点，该树包含了与该inode相关的所有普通内存映射。该树的任务在于，支持查找包含了给定区间中至少一页的所有内存区域*/ struct prio_tree_root i_mmap; /* tree of private and shared mappings */ /*包含所有在非线性映射中的页*/ struct list_head i_mmap_nonlinear;/*list VM_NONLINEAR mappings */ spinlock_t i_mmap_lock; /* protect tree， count， list */ unsigned int truncate_count; /* Cover race condition with truncate */ /*缓存页的总数*/ unsigned long nrpages; /* number of total pages */ pgoff_t writeback_index;/* writeback starts here */ const struct address_space_operations *a_ops; /* methods */ /*集主要用于保存映射页所来自的GFP内存区的有关信息*/ unsigned long flags; /* error bits/gfp mask */ /*指向后备存储器结构，该结构包含了与地址空间相关的后备存储器的有关信息，后备存储器是指与地址空间相关的外部设备，用做地址空间中信息的来源。他通常是块设备*/ struct backing_dev_info *backing_dev_info; /* device readahead， etc */ spinlock_t private_lock; /* for use by the address_space */ /*用于将包含文件系统元数据(通常是间接块)的buffer_head实例彼此连接起来*/ struct list_head private_list; /* ditto */ /*指向相关的地址空间的指针*/ struct address_space *assoc_mapping; /* ditto */ } __attribute__((aligned(sizeof(long))));后备存储信息[cpp] view plaincopyprint？ struct backing_dev_info { struct list_head bdi_list;struct rcu_head rcu_head;/*最大预读数量，单位为PAGE_CACHE_SIZE*/ unsigned long ra_pages; /* max readahead in PAGE_CACHE_SIZE units */ /*对该成员，总是使用原子操作，指定了后备存储器的状态*/ unsigned long state; /* Always use atomic bitops on this */ /*设备能力*/ unsigned int capabilities; /* Device capabilities */ congested_fn *congested_fn; /* Function pointer if device is md/dm */ void *congested_data; /* Pointer to aux data for congested func */ void (*unplug_io_fn)(struct backing_dev_info *， struct page *);void *unplug_io_data; char *name; struct percpu_counter bdi_stat[NR_BDI_STAT_ITEMS]; struct prop_local_percpu completions;int dirty_exceeded; unsigned int min_ratio;unsigned int max_ratio， max_prop_frac; struct bdi_writeback wb; /* default writeback info for this bdi */ spinlock_t wb_lock; /* protects update side of wb_list */ struct list_head wb_list; /* the flusher threads hanging off this bdi */ unsigned long wb_mask; /* bitmask of registered tasks */ unsigned int wb_cnt; /* number of registered tasks */ struct list_head work_list; struct device *dev; #ifdef CONFIG_DEBUG_FS struct dentry *debug_dir;struct dentry *debug_stats;#endif };下图为地址空间与内核其他部分的关联。 内核采用一种通用的地址空间方案，来建立缓存数据与其来源之间的关联。 1) 内存中的页分配到每个地址空间。这些页的内容可以由用户进程或内核本身使用各式各样的方法操作。这些数据表示了缓存中的内容;2) 后备存储器struct backing_dev_info指定了填充地址空间中页的数据的来源。地址空间关联到处理器的虚拟地址空间，是由处理器在虚拟内存中管理的一个区域到设备device上对应位置之间的一个映射。 如果访问了虚拟内存中的某个位置，该位置没有关联到物理内存页，内核可根据地址空间结构来找到读取数据的来源。 为支持数据传输，每个地址空间都提供了一组操作，以容许地址空间所涉及双方面的交互。 地址空间是内核中最关键的数据结构之一，对该数据结构的管理，已经演变为内核面对的最关键的问题之一。 页缓存的任务在于，获得一些物理内存页，以加速在块设备上按页为单位执行的操作。 内核使用了基数树来管理与一个地址空间相关的所有页，以便尽可能降低开销。对于基数树的理解在这里就不分析了，后面有空的时候再做分析。 地址空间操作[cpp] view plaincopyprint？ struct address_space_operations { /*将地址空间的一页或多页写回到底层设备这是通过向块层发出一个相应的请求来完成的*/ int (*writepage)(struct page *page， struct writeback_control *wbc);/*从后备存储器将一页或多个连续的页读入页帧*/ int (*readpage)(struct file *， struct page *);/*对尚未回写到后备存储器的数据进行同步*/ void (*sync_page)(struct page *); /* Write back some dirty pages from this mapping. */ int (*writepages)(struct address_space *， struct writeback_control *); /* Set a page dirty. Return true if this dirtied it */ int (*set_page_dirty)(struct page *page); int (*readpages)(struct file *filp， struct address_space *mapping，struct list_head *pages， unsigned nr_pages);/*执行由write系统调用触发的写操作*/ int (*write_begin)(struct file *， struct address_space *mapping，loff_t pos， unsigned len， unsigned flags，struct page **pagep， void **fsdata);int (*write_end)(struct file *， struct address_space *mapping，loff_t pos， unsigned len， unsigned copied，struct page *page， void *fsdata); /* Unfortunately this kludge is needed for FIBMAP. Don't use it */ sector_t (*bmap)(struct address_space *， sector_t);void (*invalidatepage) (struct page *， unsigned long);int (*releasepage) (struct page *， gfp_t);ssize_t (*direct_IO)(int， struct kiocb *， const struct iovec *iov，loff_t offset， unsigned long nr_segs);int (*get_xip_mem)(struct address_space *， pgoff_t， int，void **， unsigned long *);/* migrate the contents of a page to the specified target */ int (*migratepage) (struct address_space *，struct page *， struct page *);int (*launder_page) (struct page *);int (*is_partially_uptodate) (struct page *， read_descriptor_t *，unsigned long);int (*error_remove_page)(struct address_space *， struct page *);};页面缓存的实现基于基数树，缓存属于内核中性能要求最苛刻的部分之一，而且广泛用于内核的所有子系统，实现也比较简单。举两个例子，其他的暂时不做分析了。 分配页面用于加入地址空间[cpp] view plaincopyprint？ /*从伙伴系统中分配页面，页面的标志根据地址空间中的标志进行设置*/ static inline struct page *page_cache_alloc(struct address_space *x) { return __page_cache_alloc(mapping_gfp_mask(x));}分配完了添加到基数树中[cpp] view plaincopyprint？ /* * Like add_to_page_cache_locked， but used to add newly allocated pages：* the page is new， so we can just run __set_page_locked() against it. */ static inline int add_to_page_cache(struct page *page，struct address_space *mapping， pgoff_t offset， gfp_t gfp_mask) { int error; __set_page_locked(page);/*实际的添加工作*/ error = add_to_page_cache_locked(page， mapping， offset， gfp_mask);if (unlikely(error)) __clear_page_locked(page);return error;} [cpp] view plaincopyprint？ /** * add_to_page_cache_locked - add a locked page to the pagecache * @page： page to add * @mapping： the page's address_space * @offset： page index * @gfp_mask： page allocation mode * * This function is used to add a page to the pagecache. It must be locked. * This function does not add the page to the LRU. The caller must do that. */ int add_to_page_cache_locked(struct page *page， struct address_space *mapping，pgoff_t offset， gfp_t gfp_mask) { int error; VM_BUG_ON(!PageLocked(page)); error = mem_cgroup_cache_charge(page， current->mm，gfp_mask & GFP_RECLAIM_MASK);if (error) goto out;/*树的相关结构申请*/ error = radix_tree_preload(gfp_mask & ~__GFP_HIGHMEM);if (error == 0) { page_cache_get(page);/*使用计数加一*/ page->mapping = mapping;page->index = offset; spin_lock_irq(&mapping->tree_lock);/*实际的插入操作*/ error = radix_tree_insert(&mapping->page_tree， offset， page);if (likely(!error)) { mapping->nrpages++;__inc_zone_page_state(page， NR_FILE_PAGES);if (PageSwapBacked(page)) __inc_zone_page_state(page， NR_SHMEM);spin_unlock_irq(&mapping->tree_lock);} else { page->mapping = NULL;spin_unlock_irq(&mapping->tree_lock);mem_cgroup_uncharge_cache_page(page);page_cache_release(page);} radix_tree_preload_end();} else mem_cgroup_uncharge_cache_page(page);out：return error;} |
