磁盤塊和緩沖塊

README

• 作者：邢萬里
• 學校：重慶郵電大學
• email：wlxing@yahoo.com
• 基于內核Linux 0.12源碼

磁盤塊

術語解釋

定義：
磁盤塊表示磁盤上存儲數據的地方，也就是數據真正存放的地方。即使電腦關機、文件保存等情況發生，磁盤塊即是數據最終寫入的位置（磁盤塊的數據不會丟失，除非意外操作或者磁盤損壞等無法避免的情況）。

磁盤塊==盤塊==邏輯塊==數據塊
　a. 數據塊，字面意思為存放數據的位置，但是這里（在Linux0.12中表示的只是磁盤中的一部分數據，不包括引導塊、超級塊、位圖和i節點等）為下面第一張圖的數據區部分。
　b. 邏輯塊，定義為存儲在磁盤或者磁帶上的數據塊（和磁盤塊相同）。

存儲、關聯和讀寫

MINIX文件系統在磁盤上的真正存放布局：
磁盤塊表示圖中的數據區部分，在磁盤塊前面有8塊(1024字節)，分別是引導塊、超級塊、位圖和i節點。第一塊盤塊在超級塊的成員s_firstdatazone表示，其值為8。注意，盤塊號是包括前面8塊在內計算，計算方式即為：block = nr + s_firstdatazone - 1; block即為盤塊號，nr為位圖中的索引(見“位圖與磁盤關聯方式”部分)。

i節點與磁盤塊的關聯方式：
通過i節點的成員i_zone數組，表示邏輯塊的存放方式是由直接塊、一次間接塊和二次間接塊構成。這基本的三部分均表示的是磁盤塊，不是緩沖塊，其存儲的數據是盤塊號。通過文件的i節點就能對應到相應的磁盤塊號，再對應具體的磁盤塊。

位圖與磁盤塊的關聯方式：
通過超級塊的成員s_zmap數組，其成員b_data指針指向一塊為1024字節的區域。s_zmap數組為struct buffer_head類型，代表的緩沖頭部，由該頭部進行指引作用，s_zmap的成員b_data指向一個緩沖區，緩沖區的每一位用0或者1表示，每一位依次按照盤塊的順序代表盤塊是否正在使用，如果正在使用則表示1，否則為0。位圖是緩沖塊，順序從0計數(特殊：s_zmap[0]的第一個位不用)，所以如果對應到磁盤的計算過程即為，nr = block - s_firstdatazone + 1;block即為盤塊號，nr即為位圖(從0開始計數)的第nr個位置。再次注意：盤塊號是從8開始計數(因為有8塊在磁盤塊前)，而位圖是從0開始計數。

磁盤塊的讀寫方式：ll_rw_block()函數。
通過設置該函數的第一個參數為write或read等，判斷系統需要讀取還是寫入數據。
　a. 讀取磁盤塊過程(bread()函數)：確定磁盤塊號block–>獲得與block和dev相關的緩沖塊bh-->ll_rw_block(READ,bh)。
　b. 寫入磁盤塊過程(sync_dev()函數)：確定設備號dev–>找到相應的緩沖塊bh-->ll_rw_block(WRITE,bh)。
注：

“i節點與磁盤塊的關聯方式”是磁盤與磁盤的真實存在的關聯方式。i節點成員i_zone數組保存的內容是盤塊號。

“位圖與磁盤塊的關聯方式”是內存(緩沖塊)與磁盤的關聯方式。位圖保存的內容是邏輯塊是否占用。但通過求出某塊在位圖的偏移地址，再通過公式block = nr + s_firstdatazone - 1即能求出盤塊號。由于位圖的限制，一個文件最大能表示8 x 8 x 1024 bit為64MB。

緩沖塊

術語解釋
注： 請反復注意詞匯“cache是緩存”和“buffer是緩沖”！
1. cache是高速緩存，用于CPU和內存之間的緩存。
2. buffer是I/O緩沖，用于內存和硬盤的緩沖。
3. 英文解釋，如下：

“ A buffer is something that has yet to be “written” to disk. A cache is something that has been “read” from the disk and stored for later use. ”

cache緩存是集成于CPU中，是介于CPU與主內存間的一種容量較小但速度很高的存儲器。目的是為了打破內存讀寫速度慢的問題，減少了CPU的等待時間,提高了系統的效率。

buffer緩沖是用于暫時存放數據，不同于磁盤塊。當機器關機后，緩沖塊數據清除，因此不是數據真正存放的位置。緩沖塊占用的是內存，用于保護硬盤或減少網絡傳輸的次數。同時也可以提高速度（不會立即寫入硬盤或直接從硬盤中讀出的數據馬上顯示），重復使用，最初最主要的目的是保護磁盤?！咀⒁?#xff1a;和高速緩存(cache)區別！】如下圖可知，buffer是物理內存的一部分(而高速緩存是CPU一部分)。

緩沖塊頭部==緩沖區頭部==緩沖頭，是指的struct buffer_head結構體，用于指引到具體的緩沖塊位置，其結構如下（b_data指向緩沖塊）：

struct buffer_head {char * b_data; /* pointer to data block (1024 bytes) */unsigned long b_blocknr; /* block number */unsigned short b_dev; /* device (0 = free) */unsigned char b_uptodate;unsigned char b_dirt; /* 0-clean,1-dirty */unsigned char b_count; /* users using this block */unsigned char b_lock; /* 0 - ok, 1 -locked */struct task_struct * b_wait;struct buffer_head * b_prev;struct buffer_head * b_next;struct buffer_head * b_prev_free;struct buffer_head * b_next_free; };

布局、關聯和檢索

高速緩沖區的布局：低端部分是struct buffer_head，弧線箭頭是b_data指針，高端部分是具體的緩沖塊部分。

空閑緩沖塊的關聯方式：通過緩沖頭的成員b_prev_free和b_next_free指針進行關聯，構建雙向循環鏈表，再由緩沖頭尋找具體的緩沖塊。

緩沖塊的關聯/檢索方式：通過緩沖頭的成員b_prev和b_next指針進行關聯，構建hash表，再由緩沖頭尋找具體的緩沖塊。

易混淆函數（block系列）

bitmap.c

free_block()和new_block()均是對磁盤上的數據塊進行操作。一個是將磁盤上某塊的數據全部失效(指沒有人使用它)，一個是將磁盤塊新分配(指給特定設備使用)。

buffer.c

getblk()的返回值是返回相應的緩沖塊，作用為根據設備號和盤塊號獲取相應的緩沖塊。其參數中的block是盤塊號。

truncate.c

free_ind()、free_dind()和truncate()函數均是對磁盤上數據操作，即為磁盤塊。truncate()函數根據i節點的成員i_zone，找到對應的緩沖塊頭部，通過頭部的成員b_data找到對應的緩沖塊(其中是以0/1表示的位圖)，繼而根據位圖對磁盤上相應的磁盤塊進行截斷，截斷文件后的長度為0，意味著該文件的數據全部失效。

技巧

關注參數名稱是否為block，如果是，則參數為磁盤塊號。

關注函數返回值是否是struct buffer_head，如果是則函數作用是尋找一個緩沖塊。

一般尋找或者釋放緩沖塊都是需要由dev設備號和block盤塊號進行定位。

（注）只要記住這3條原則，就不會混淆了。

參考

Linux內核完全剖析（基于0.12內核）趙炯–>第12章節。

buffer與cache之間的區別：http://blog.chinaunix.net/uid-24020646-id-2939696.html。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的MINIX - 磁盘块和缓冲块的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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