把塊存放在頁(yè)高速緩存中
一、概述
Linux支持的文件系統(tǒng)大多以塊的形式組織文件，為了減少對(duì)物理塊設(shè)備的訪問(wèn)，在文件以塊的形式調(diào)入內(nèi)存后，使用塊高速緩存（buffer_cache)對(duì)它們進(jìn)行管理。每個(gè)緩沖區(qū)由兩部分組成，第一部分稱為緩沖區(qū)首部，用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)buffer_head表示，第二部分是真正的緩沖區(qū)內(nèi)容（即所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)）。由于緩沖區(qū)首部不與數(shù)據(jù)區(qū)域相連，數(shù)據(jù)區(qū)域獨(dú)立存儲(chǔ)。因而在緩沖區(qū)首部中，有一個(gè)指向數(shù)據(jù)的指針和一個(gè)緩沖區(qū)長(zhǎng)度的字段。（當(dāng)一個(gè)塊被調(diào)入到內(nèi)存中，它要被存儲(chǔ)在一個(gè)緩沖區(qū)中。每個(gè)緩沖區(qū)與一個(gè)塊對(duì)應(yīng)，它相當(dāng)于磁盤塊在內(nèi)存中的表示。而文件在內(nèi)存中由file結(jié)構(gòu)體表示，而磁盤塊在內(nèi)存中是由緩沖區(qū)來(lái)進(jìn)行表示的。由于內(nèi)核處理塊時(shí)需要一些信息，如塊屬于哪個(gè)設(shè)備與塊對(duì)應(yīng)于哪個(gè)緩沖區(qū)。所以每個(gè)緩沖區(qū)都有一個(gè)緩沖區(qū)描述符，稱為buffer_head. 它包含了內(nèi)核操作緩沖區(qū)所需要的全部信息）注意：每個(gè)塊在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)于一個(gè)緩存區(qū)，緩沖區(qū)有緩沖區(qū)頭部和數(shù)據(jù)域組成。注意：當(dāng)頁(yè)的所有者為文件的時(shí)候，頁(yè)中存放的數(shù)據(jù)塊在磁盤上不一定是連續(xù)的（這主要是由于文件空洞的存在），而如果頁(yè)的所有者是塊設(shè)備的時(shí)候，頁(yè)中的塊數(shù)據(jù)在磁盤上一定是連續(xù)的。
二、緩沖區(qū)首部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct buffer_head { unsigned long b_state; /* buffer state bitmap (see above) *緩沖區(qū)的狀態(tài)標(biāo)志/ struct buffer_head *b_this_page; /* circular list of page's buffers *頁(yè)面中緩沖區(qū)/（一般一個(gè)頁(yè)面會(huì)有多個(gè)塊組成，一個(gè)頁(yè)面中的塊是以一個(gè)循環(huán)鏈表組成在一起的，該字段指向下一個(gè)緩沖區(qū)首部的地址。） struct page *b_page; /* the page this bh is mapped to *存儲(chǔ)緩沖區(qū)的頁(yè)面/（指向擁有該塊的頁(yè)面的頁(yè)面描述符）sector_t b_blocknr; /* start block number *邏輯塊號(hào)/size_t b_size; /* size of mapping *塊大小/ char *b_data; /* pointer to data within the page *指向該塊對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)的指針/struct block_device *b_bdev; //對(duì)應(yīng)的塊設(shè)備（通常是指磁盤或者是分區(qū)）bh_end_io_t *b_end_io; /* I/O completion */void *b_private; /* reserved for b_end_io *I/O完成的方法/ struct list_head b_assoc_buffers; /* associated with another mapping */ struct address_space *b_assoc_map; /* mapping this buffer is associated with *緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的映射，即address_space/ atomic_t b_count; /* users using this buffer_head *表示緩沖區(qū)的使用計(jì)數(shù)/

};

三、緩沖區(qū)頁(yè)、緩存區(qū)首部以及頁(yè)描述符之間的聯(lián)系

圖 緩沖區(qū)頁(yè)、緩沖區(qū)首部以及頁(yè)描述符之間的聯(lián)系

總結(jié)
1、從上圖可以看出一個(gè)緩沖區(qū)頁(yè)包含1–8個(gè)塊緩沖區(qū)，上圖畫的是一個(gè)緩沖區(qū)頁(yè)包含4個(gè)塊緩沖區(qū)。且每個(gè)塊緩沖區(qū)的大小事相同的。
2、同一個(gè)緩沖區(qū)頁(yè)內(nèi)的各個(gè)塊緩沖區(qū)是在同一個(gè)單向的循環(huán)鏈表中的。具體是通過(guò)每個(gè)塊緩沖區(qū)首部的b_this_page字段進(jìn)行連接的。同時(shí)頁(yè)描述符中的private字段指向該循環(huán)鏈表的頭。通過(guò)該字段 可以遍歷整個(gè)鏈表。
3、每個(gè)緩沖區(qū)首部通過(guò)字段b_page連接到擁有該塊緩沖區(qū)的頁(yè)的頁(yè)描述符上面。
4、每個(gè)緩沖區(qū)首部通過(guò)字段b_data指向該緩沖區(qū)首部對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)域。

四、分配塊設(shè)備緩沖區(qū)頁(yè)并將其加入到頁(yè)高速緩存

當(dāng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)指定塊的緩沖區(qū)所在的頁(yè)不在頁(yè)高速緩存中時(shí)，就分配一個(gè)新的塊設(shè)備緩沖區(qū)頁(yè)。內(nèi)核調(diào)用函數(shù)grow_buffers()把塊設(shè)備緩沖區(qū)頁(yè)添加到頁(yè)高速緩存中，該函數(shù)接收三個(gè)標(biāo)識(shí)塊的參數(shù)：
- block_device描述符的地址bdev。
- 邏輯塊號(hào)block（塊在塊設(shè)備中的位置）。

- 塊大小size。

下面我們來(lái)看該函數(shù)的源碼：
首先給出函數(shù)調(diào)用的關(guān)系圖

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首先grow_buffers（）函數(shù)調(diào)用grow_dev_page（）函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。而grow_dev_page（）函數(shù)調(diào)用如下函數(shù)實(shí)現(xiàn)其功能：
（1）find_or_create_page（）函數(shù)：該函數(shù)主要是在頁(yè)高速緩存中查找相應(yīng)的緩沖區(qū)頁(yè)是否存在，如果不存在則建立相應(yīng)的緩沖區(qū)頁(yè)。最終返回相應(yīng)緩沖區(qū)頁(yè)的頁(yè)描述符的地址。
（2）page_has_buffers（）函數(shù)：該函數(shù)主要是檢查page中的PG_private標(biāo)志，如果該標(biāo)志位空的說(shuō)明，該頁(yè)不是一個(gè)緩沖區(qū)頁(yè)。那么這個(gè)時(shí)候接下來(lái)就會(huì)分配相應(yīng)的緩沖區(qū)首部。
（3）page_buffers（）函數(shù)：主要是根據(jù)頁(yè)描述符page的private字段來(lái)獲取緩沖區(qū)頁(yè)的第一個(gè)緩沖區(qū)首部的地址，即獲取第一緩沖區(qū)首部bh，這是在內(nèi)存中有相應(yīng)的緩沖區(qū)頁(yè)的情況下才執(zhí)行這個(gè)函數(shù)。
（4）alloc_page_buffers：根據(jù)頁(yè)中所請(qǐng)求的塊大小為頁(yè)分配n個(gè)緩沖區(qū)首部，并把他們通過(guò)緩沖區(qū)首部的字段b_this_page連接成單向循環(huán)鏈表，同時(shí)設(shè)置各個(gè)緩存區(qū)首部的相應(yīng)的字段的值。該函數(shù)主要是調(diào)用 allpc_buffer_head() 功能為 分配緩沖區(qū)首部并加入鏈表 。set_bh_page(）該函數(shù)功能為：設(shè)置緩沖區(qū)首部的一些字段，主要是b_page字段（指向頁(yè)描述符）和b_data字段。 init_buffer()功能為：設(shè)置b_end_io字段和b_private字段。
（5）link_dev_buffers()：該函數(shù)主要是把緩沖區(qū)頭部連成一個(gè)循環(huán)鏈表，并在page中的private字段存放第一個(gè)緩沖區(qū)首部的地址。同時(shí)把PG_private字段置位該功能主要是由函數(shù)attach_page_buffers()完成的。
（6）init_page_buffers()該函數(shù)的功能是初始化緩沖區(qū)首部的其他字段的值。
整個(gè)把緩沖區(qū)頁(yè)加入到頁(yè)高速緩存的過(guò)程需要做的工作如下：
（1）首先在頁(yè)高速緩存中尋找相應(yīng)的頁(yè)是否存在，如果不存在就建立相應(yīng)的緩沖區(qū)頁(yè)。
（2）建立緩沖區(qū)頁(yè)之后就為該緩沖區(qū)頁(yè)分配緩沖區(qū)首部，同時(shí)設(shè)置緩沖區(qū)首部的各個(gè)字段的值。
（3）把緩沖區(qū)首部通過(guò)緩沖區(qū)首部的b_this_page字段把該頁(yè)下的所有的緩沖區(qū)首部加入到一個(gè)單向的循環(huán)鏈表中。
（4）把該緩沖區(qū)頁(yè)所有的緩沖區(qū)首部的b_page字段都指向緩沖區(qū)頁(yè)的頁(yè)描述符page，同時(shí)page的private字段指向第一個(gè)緩沖區(qū)首部的地址。
以上基本上就是把緩沖區(qū)頁(yè)加入到頁(yè)高速緩沖的所有工作。具體的見(jiàn)下面的代碼：
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1. static int

grow_buffers(struct block_device *bdev, sector_t block, int size)

{

struct page *page;

pgoff_t index;

int sizebits;

sizebits = -1;

do {

sizebits++;

} while ((size << sizebits) < PAGE_SIZE);//這個(gè)while做的工作是判斷一個(gè)緩沖區(qū)頁(yè)能容納多少個(gè)塊緩沖區(qū)。

index = block >> sizebits;

/*

• Check for a block which wants to lie outside our maximum possible

• pagecache index. (this comparison is done using sector_t types).

*/

if (unlikely(index != block >> sizebits)) {

char b[BDEVNAME_SIZE];

printk(KERN_ERR “%s: requested out-of-range block %llu for “

“device %s/n”,

FUNCTION, (unsigned long long)block,

bdevname(bdev, b));

return -EIO;

}

block = index << sizebits;

/* Create a page with the proper size buffers.. */

page = grow_dev_page(bdev, block, index, size);//這個(gè)函數(shù)才是真正的分配函數(shù)。

if (!page)

return 0;

unlock_page(page);

page_cache_release(page);

return 1;

}

（8—11行）計(jì)算數(shù)據(jù)頁(yè)在所請(qǐng)求塊的塊設(shè)備中的偏移量index，然后將block與index對(duì)齊。（其實(shí)就是計(jì)算數(shù)據(jù)頁(yè)在塊設(shè)備中的偏移量，實(shí)質(zhì)就是index=block/（PAGE_SIZE/塊大小））；比如，塊大小是512（都是以字節(jié)為單位），size << sizebits就是size * 2^sizebits，這個(gè)沒(méi)問(wèn)題吧！那么512*8=4096（PAGE_SIZE），所以跳出循環(huán)時(shí)sizebits是3，那么index = block >> sizebits，也就是最后計(jì)算出每個(gè)塊512字節(jié)大小的塊設(shè)備中的對(duì)應(yīng)塊block的塊設(shè)備中的偏移是index = block / 8。然后將block與index對(duì)齊：block = index * 8。

如果需要，就調(diào)用grow_dev_page()創(chuàng)建新的塊設(shè)備緩沖區(qū)頁(yè)。該函數(shù)的源碼如下：
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static struct page *

grow_dev_page(struct block_device *bdev, sector_t block,

pgoff_t index, int size)

{

struct inode *inode = bdev->bd_inode;

struct page *page;

struct buffer_head *bh;

page = find_or_create_page(inode->i_mapping, index, GFP_NOFS);//其中的inode->i_mapping字段指向的是相應(yīng)的地址空間address_space對(duì)象。該函數(shù)主要目的是在頁(yè)高速緩存中查找相應(yīng)的頁(yè)，如果沒(méi)有找到則創(chuàng)建相應(yīng)的頁(yè)。

if (!page)

return NULL;

BUG_ON(!PageLocked(page));

if (page_has_buffers(page)) {//page_has_buffers()函數(shù)檢查它的page的PG_private標(biāo)志；如果為空，說(shuō)明頁(yè)還不是一個(gè)緩沖區(qū)頁(yè)（沒(méi)有相關(guān)的緩沖區(qū)首部）

bh = page_buffers(page);//根據(jù)頁(yè)描述符page的private字段獲取第一個(gè)緩沖區(qū)首部的地址bh。

if (bh->b_size == size) {

init_page_buffers(page, bdev, block, size);

return page;

}

if (!try_to_free_buffers(page))

goto failed;

}

/*

• Allocate some buffers for this page

*/

bh = alloc_page_buffers(page, size, 0);//根據(jù)頁(yè)中所請(qǐng)求的塊大小分配緩沖區(qū)首部（也就是分配PAGE_SIZE/size個(gè)緩沖區(qū)首部），并把他們插入到b_this_page字段實(shí)現(xiàn)的單向循環(huán)鏈表。同時(shí)設(shè)置一些字段的值。

if (!bh)

goto failed;

/*

• Link the page to the buffers and initialise them. Take the

• lock to be atomic wrt __find_get_block(), which does not

• run under the page lock.

*/

spin_lock(&inode->i_mapping->private_lock);

link_dev_buffers(page, bh);//把頁(yè)的緩沖區(qū)首部連成一個(gè)循環(huán)鏈表。在page結(jié)構(gòu)中的private字段存放第一個(gè)緩沖區(qū)首部的地址。

init_page_buffers(page, bdev, block, size);//初始化緩沖區(qū)首部的字段b_bdev、b_blocknr和b_bstate

spin_unlock(&inode->i_mapping->private_lock);

return page; //返回頁(yè)描述符的地址

failed:

BUG();

unlock_page(page);

page_cache_release(page);

return NULL;

}

該函數(shù)依次執(zhí)行以下列子步驟：
a. 調(diào)用函數(shù)find_or_create_page()，傳遞給它的參數(shù)有：塊設(shè)備的address_space對(duì)象(bdev->bd_inode->i mapping)、頁(yè)偏移index以及GFP_NOFS標(biāo)志。正如在前面“頁(yè)高速緩存的處理函數(shù)”博文所描述的，find_or_create_page()在頁(yè)高速緩存中（基樹中）搜索需要的頁(yè)，如果需要，就把新的頁(yè)插入高速緩存。如果在頁(yè)高速緩存中沒(méi)有找到相應(yīng)的頁(yè)那么接下來(lái)就會(huì)分配相應(yīng)的頁(yè)。

b. 此時(shí)，所請(qǐng)求的頁(yè)已經(jīng)在頁(yè)高速緩存中，而且函數(shù)獲得了它的描述符地址。函數(shù)檢查它的PG_private標(biāo)志；如果為空，說(shuō)明頁(yè)還不是一個(gè)緩沖區(qū)頁(yè)（沒(méi)有相關(guān)的緩沖區(qū)首部），就跳到第e步。

c. 頁(yè)已經(jīng)是緩沖區(qū)頁(yè)。從頁(yè)描述符的private字段獲得第一個(gè)緩沖區(qū)首部的地址bh，并檢查塊大小bh->size是否等于所請(qǐng)求的塊大小；如果大小相等，在頁(yè)高速緩存中找到的頁(yè)就是有效的緩沖區(qū)頁(yè)，因此跳到第g步。

d. 如果頁(yè)中塊的大小有錯(cuò)誤，就調(diào)用try_to_free_buffers()釋放緩沖區(qū)頁(yè)的上一個(gè)緩沖區(qū)首部，并報(bào)錯(cuò)（goto failed）。

e. 調(diào)用函數(shù)alloc_page_buffers()根據(jù)頁(yè)中所請(qǐng)求的塊大小分配緩沖區(qū)首部，并把它們插入由b_this_page字段實(shí)現(xiàn)的單向循環(huán)鏈表（注意那個(gè)while循環(huán)）：

struct buffer_head *alloc_page_buffers(struct page *page, unsigned long size,
int retry)
{
struct buffer_head *bh, *head;
long offset;
try_again:
head = NULL;
offset = PAGE_SIZE;
while ((offset -= size) >= 0) {
bh = alloc_buffer_head(GFP_NOFS);
if (!bh)
goto no_grow;
bh->b_bdev = NULL;
bh->b_this_page = head;
bh->b_blocknr = -1;
head = bh;
bh->b_state = 0;
atomic_set(&bh->b_count, 0);
bh->b_private = NULL;
bh->b_size = size;
/* Link the buffer to its page */
set_bh_page(bh, page, offset);
init_buffer(bh, NULL, NULL);
}
return head;
no_grow:
……
}

void set_bh_page(struct buffer_head *bh,
struct page *page, unsigned long offset)
{
bh->b_page = page;
BUG_ON(offset >= PAGE_SIZE);
if (PageHighMem(page))
/*
* This catches illegal uses and preserves the offset:
*/
bh->b_data = (char *)(0 + offset);
else
bh->b_data = page_address(page) + offset;
}
inline void
init_buffer(struct buffer_head *bh, bh_end_io_t *handler, void *private)
{
bh->b_end_io = handler;
bh->b_private = private;
}

此外，函數(shù)alloc_page_buffers調(diào)用set_bh_page用頁(yè)描述符的地址初始化緩沖區(qū)首部的b_page字段，用塊緩沖區(qū)在頁(yè)內(nèi)的線性地址或偏移量初始化b_data字段。

回到grow_dev_page：

f. 調(diào)用link_dev_buffers把頁(yè)的緩沖區(qū)頭連成一個(gè)循環(huán)鏈表，在page結(jié)構(gòu)的字段private中存放第一個(gè)緩沖區(qū)首部的地址，把PG_private字段置位，并遞增頁(yè)的使用計(jì)數(shù)器（頁(yè)中的塊緩沖區(qū)被算作一個(gè)頁(yè)用戶）：

static inline void
link_dev_buffers(struct page *page, struct buffer_head *head)
{
struct buffer_head *bh, *tail;
bh = head;
do {
tail = bh;
bh = bh->b_this_page;
} while (bh);
tail->b_this_page = head;
attach_page_buffers(page, head);
}

static inline void attach_page_buffers(struct page *page,
struct buffer_head *head)
{
page_cache_get(page); /* 并遞增頁(yè)的使用計(jì)數(shù)器 */
SetPagePrivate(page);
set_page_private(page, (unsigned long)head);
}

define SetPagePrivate(page) set_bit(PG_private, &(page)->flags)

define set_page_private(page, v) ((page)->private = (v))

g. 調(diào)用init_page_buffers()函數(shù)初始化連接到頁(yè)的緩沖區(qū)首部的字段b_bdev、b_blocknr和b_bstate。因?yàn)樗械膲K在磁盤上都是相鄰的，因此邏輯塊號(hào)是連續(xù)的，而且很容易從塊得出：

static void
init_page_buffers(struct page *page, struct block_device *bdev,
sector_t block, int size)
{
struct buffer_head *head = page_buffers(page);
struct buffer_head *bh = head;
int uptodate = PageUptodate(page);
do {
if (!buffer_mapped(bh)) {
init_buffer(bh, NULL, NULL);
bh->b_bdev = bdev;
bh->b_blocknr = block;
if (uptodate)
set_buffer_uptodate(bh);
set_buffer_mapped(bh);
}
block++;
bh = bh->b_this_page;
} while (bh != head);
}
h. 返回頁(yè)描述符地址。
五、釋放緩沖區(qū)頁(yè)（主要的工作就是釋放相應(yīng)的緩沖區(qū)首部）
當(dāng)內(nèi)核試圖獲得更多的空閑內(nèi)存時(shí)，就釋放塊設(shè)備緩沖區(qū)頁(yè)。顯然，不可能釋放有臟緩沖區(qū)或上鎖的緩沖區(qū)的頁(yè)。內(nèi)核調(diào)用函數(shù)try_to_release_page()釋放緩沖區(qū)頁(yè)，該函數(shù)接收頁(yè)描述符的地址page，并執(zhí)行下述步驟（還可以對(duì)普通文件所擁有的緩沖區(qū)頁(yè)調(diào)用try_to_release_page函數(shù)）：

如果設(shè)置了頁(yè)的PG_writeback標(biāo)志，則返回0（因?yàn)檎诎秧?yè)寫回磁盤，所以不可能釋放該頁(yè)）。

如果已經(jīng)定義了塊設(shè)備address_space對(duì)象的releasepage方法，就調(diào)用它（通常沒(méi)有為塊設(shè)備定義的releasepage方法）。

調(diào)用函數(shù)try_to_free_buffers()并返回它的錯(cuò)誤代碼。
函數(shù)try_to_free_buffers()依次掃描鏈接到緩沖區(qū)頁(yè)的緩沖區(qū)首部，它本質(zhì)上執(zhí)行下列操作：

檢查頁(yè)中所有緩沖區(qū)的緩沖區(qū)首部的標(biāo)志。如果有些緩沖區(qū)首部的BH_Dirty或BH_Locked標(biāo)志被置位，說(shuō)明函數(shù)不可能釋放這些緩沖區(qū)，所以函數(shù)終止并返回0（失敗）。

如果緩沖區(qū)首部在間接緩沖區(qū)的鏈表中，該函數(shù)就從鏈表中刪除它。

清除頁(yè)描述符的PG_private標(biāo)記，把private字段設(shè)置為NULL，并遞減頁(yè)的使用計(jì)數(shù)器。

清除頁(yè)的PG_dirty標(biāo)記。

反復(fù)調(diào)用free_buffer_head()，以釋放頁(yè)的所有緩沖區(qū)首部。

返回1（成功）。
六、在頁(yè)高速緩存中搜索塊
當(dāng)內(nèi)核需要讀或?qū)懸粋€(gè)單獨(dú)的物理設(shè)備塊時(shí)（例如一個(gè)超級(jí)塊），必須檢查所請(qǐng)求的塊緩沖區(qū)是否已經(jīng)在頁(yè)高速緩存中。在頁(yè)高速緩存中搜索指定的塊緩沖區(qū)（由塊設(shè)備描述符的地址bdev和邏輯塊號(hào)nr表示）的過(guò)程分成三個(gè)步驟：
1.（首先獲取該塊對(duì)應(yīng)的address_space對(duì)象，通過(guò)它可以找到塊對(duì)應(yīng)的基樹，然后在基樹上就可以通過(guò)index找到相應(yīng)的頁(yè)） 獲取一個(gè)指針，讓它指向包含指定塊的塊設(shè)備的address_space對(duì)象（bdev->bd_inode->i_mapping）。

獲得設(shè)備的塊大小(bdev->bd_block_size)，并計(jì)算包含指定塊的頁(yè)索引。這需要在邏輯塊號(hào)上進(jìn)行位移操作。例如，如果塊的大小是1024字節(jié)，每個(gè)緩沖區(qū)頁(yè)包含四個(gè)塊緩沖區(qū)，那么頁(yè)的索引是nr/4。

在塊設(shè)備的基樹中搜索緩沖區(qū)頁(yè)。獲得頁(yè)描述符之后，內(nèi)核訪問(wèn)緩沖區(qū)首部，它描述了頁(yè)中塊緩沖區(qū)的狀態(tài)。
不過(guò)，實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)要更為復(fù)雜。為了提高系統(tǒng)性能，內(nèi)核維持一個(gè)小磁盤高速緩存數(shù)組bh_lrus（每個(gè)CPU對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)組元素），即所謂的最近最少使用（LRU）塊高速緩存。每個(gè)磁盤高速緩存有8個(gè)指針，指向被指定CPU最近訪問(wèn)過(guò)的緩沖區(qū)首部。對(duì)每個(gè)CPU數(shù)組的元素排序，使指向最后被使用過(guò)的那個(gè)緩沖區(qū)首部的指針?biāo)饕秊?。相同的緩沖區(qū)首部可能出現(xiàn)在幾個(gè)CPU數(shù)組中（但是同一個(gè)CPU數(shù)組中不會(huì)有相同的緩沖區(qū)首部）。在LRU塊高速緩存中每出現(xiàn)一次緩沖區(qū)首部，該緩沖區(qū)首部的使用計(jì)數(shù)器b_count就加1。
這個(gè)過(guò)程涉及的函數(shù)如下：
1、__find_get_block()函數(shù)：該函數(shù)返回頁(yè)高速緩存中的塊緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)首部的地址；如果不存在指定的塊，就返回NULL。該函數(shù)的詳細(xì)代碼如下：

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1. struct buffer_head *

__find_get_block(struct block_device *bdev, sector_t block, int size)

{

struct buffer_head *bh = lookup_bh_lru(bdev, block, size);

if (bh == NULL) {

bh = __find_get_block_slow(bdev, block);

if (bh)

bh_lru_install(bh);

}

if (bh)

touch_buffer(bh);

return bh;

}
該函數(shù)主要執(zhí)行的功能如下：

首先檢查執(zhí)行CPU的LRU塊高速緩存數(shù)組中是否有這個(gè)緩沖區(qū)首部，其b_bdev、b_blocknr和b_size字段分別等于bdev、block和size：代碼如下：
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static struct buffer_head *

lookup_bh_lru(struct block_device *bdev, sector_t block, int size)

{

struct buffer_head *ret = NULL;

struct bh_lru *lru;

int i;

check_irqs_on();

bh_lru_lock();

lru = &__get_cpu_var(bh_lrus);

for (i = 0; i < BH_LRU_SIZE; i++) {

struct buffer_head *bh = lru->bhs[i];

if (bh && bh->b_bdev == bdev &&

bh->b_blocknr == block && bh->b_size == size) {

if (i) {

while (i) {

lru->bhs[i] = lru->bhs[i - 1];

i–;

}

lru->bhs[0] = bh;

}

get_bh(bh);

ret = bh;

break;

}

}

bh_lru_unlock();

return ret;

}

如果緩沖區(qū)首部在LRU塊高速緩存中，就刷新數(shù)組中的元素，以便讓指針指在第一個(gè)位置（索引為0）剛找到的緩沖區(qū)首部，遞增它的b_count字段，并跳轉(zhuǎn)到第8步。

如果緩沖區(qū)首部不在LRU塊高速緩存中，就調(diào)用__find_get_block_slow：
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static struct buffer_head *

__find_get_block_slow(struct block_device *bdev, sector_t block)

{

struct inode *bd_inode = bdev->bd_inode;

struct address_space *bd_mapping = bd_inode->i_mapping;

struct buffer_head *ret = NULL;

pgoff_t index;

struct buffer_head *bh;

struct buffer_head *head;

struct page *page;

int all_mapped = 1;

index = block >> (PAGE_CACHE_SHIFT - bd_inode->i_blkbits);

page = find_get_page(bd_mapping, index);

if (!page)

goto out;

spin_lock(&bd_mapping->private_lock);

if (!page_has_buffers(page))

goto out_unlock;

head = page_buffers(page);

bh = head;

do {

if (bh->b_blocknr == block) {

ret = bh;

get_bh(bh);

goto out_unlock;

}

if (!buffer_mapped(bh))

all_mapped = 0;

bh = bh->b_this_page;

} while (bh != head);

/* we might be here because some of the buffers on this page are

• not mapped. This is due to various races between

• file io on the block device and getblk. It gets dealt with

• elsewhere, don’t buffer_error if we had some unmapped buffers

*/

if (all_mapped) {

printk(“__find_get_block_slow() failed. “

“block=%llu, b_blocknr=%llu/n”,

(unsigned long long)block,

(unsigned long long)bh->b_blocknr);

printk(“b_state=0x%08lx, b_size=%zu/n”,

bh->b_state, bh->b_size);

printk(“device blocksize: %d/n”, 1 << bd_inode->i_blkbits);

}

out_unlock:

spin_unlock(&bd_mapping->private_lock);

page_cache_release(page);

out:

return ret;

}
__find_get_block_slow首先根據(jù)塊號(hào)和塊大小得到與塊設(shè)備相關(guān)的頁(yè)的索引：
index ＝ block >> (PAGE_SHIFT - bdev->bd_inode->i_blkbits)

調(diào)用find_get_page()確定存有所請(qǐng)求的塊緩沖區(qū)的緩沖區(qū)頁(yè)的描述符在頁(yè)高速緩存中的位置。該函數(shù)傳遞的參數(shù)有：指向塊設(shè)備的address_space對(duì)象的指針(bdev->bd_mode->i_mapping）和頁(yè)索引。頁(yè)索引用于確定存有所請(qǐng)求的塊緩沖區(qū)的緩沖區(qū)頁(yè)的描述符在頁(yè)高速緩存中的位置。如果高速緩存中沒(méi)有這樣的頁(yè)，就返回NULL（失敗）。

此時(shí)，函數(shù)已經(jīng)得到了緩沖區(qū)頁(yè)描述符的地址：它掃描鏈接到緩沖區(qū)頁(yè)的緩沖區(qū)首部鏈表，查找邏輯塊號(hào)等于block的塊。

遞減頁(yè)描述符的count字段（find_get_page曾經(jīng)遞增它的值）。

調(diào)用bh_lru_install把LRU塊高速緩存中的所有元素向下移動(dòng)一個(gè)位置，并把指向所請(qǐng)求塊的緩沖區(qū)首部的指針插入到第一個(gè)位置。如果一個(gè)緩沖區(qū)首部已經(jīng)不在LRU塊高速緩存中，就遞減它的引用計(jì)數(shù)器b_count。

如果需要，就調(diào)用mark_page_accessed()把緩沖區(qū)頁(yè)移至適當(dāng)?shù)腖RU鏈表中。

返回緩沖反首部指針。

（2）、__getblk()函數(shù)：
古老的函數(shù)__getblk()現(xiàn)在的重要性也跟當(dāng)年一樣重要，即如果查找不到就分配一個(gè)緩沖區(qū)頭。__getblk()其與__find_get_block()接收相同的參數(shù)，也就是block_device描述符的地址bdev、塊號(hào)block和塊大小size，并返回與緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)首部的地址。即使塊根本不存在，該函數(shù)也不會(huì)失敗，__getblk()會(huì)友好地分配塊設(shè)備緩沖區(qū)頁(yè)并返回將要描述塊的緩沖區(qū)首部的指針。注意，__getblk()返回的塊緩沖區(qū)不必存有有效數(shù)據(jù)——緩沖區(qū)首部的BH_Uptodate標(biāo)志可能被清0。
1. 調(diào)用__find_get_block()檢查塊是否已經(jīng)在頁(yè)高速緩存中。如果找到塊，則函數(shù)返回其緩沖區(qū)首部的地址。
2. 否則，調(diào)用__getblk_slow，觸發(fā)grow_buffers()為所請(qǐng)求的頁(yè)分配一個(gè)新的緩沖區(qū)頁(yè)。
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1. static struct buffer_head *

__getblk_slow(struct block_device *bdev, sector_t block, int size)

{

/* Size must be multiple of hard sectorsize */

if (unlikely(size & (bdev_hardsect_size(bdev)-1) ||

(size < 512 || size > PAGE_SIZE))) {

printk(KERN_ERR “getblk(): invalid block size %d requested/n”,

size);

printk(KERN_ERR “hardsect size: %d/n”,

bdev_hardsect_size(bdev));

dump_stack();

return NULL;

}

for (;;) {

struct buffer_head * bh;

int ret;

bh = __find_get_block(bdev, block, size);

if (bh)

return bh;

ret = grow_buffers(bdev, block, size);

if (ret < 0)

return NULL;

if (ret == 0)

free_more_memory();

}

}

如果grow_buffers()分配這樣的頁(yè)時(shí)失敗，__getblk()試圖通過(guò)調(diào)用函數(shù)free_more_memory()回收一部分內(nèi)存。

跳轉(zhuǎn)到第1步。

（3）__bread（）函數(shù)：
函數(shù)__bread()接收與__getblk()相同的參數(shù)，即block_device描述符的地址bdev、塊號(hào)block和塊大小size，并返回與緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)首部的地址。與__getblk()相反的是，如果需要的話，在返回緩沖區(qū)首部之前函數(shù)__bread()從磁盤讀塊，將分配到的一個(gè)空的buffer_head填滿：
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1. struct buffer_head *

__bread(struct block_device *bdev, sector_t block, int size)

{

struct buffer_head *bh = __getblk(bdev, block, size);

if (likely(bh) && !buffer_uptodate(bh))

bh = __bread_slow(bh);

return bh;

}

11.

static struct buffer_head *__bread_slow(struct buffer_head *bh)

{

lock_buffer(bh);

if (buffer_uptodate(bh)) {

unlock_buffer(bh);

return bh;

} else {

get_bh(bh);

bh->b_end_io = end_buffer_read_sync;

submit_bh(READ, bh);

wait_on_buffer(bh);

if (buffer_uptodate(bh))

return bh;

}

brelse(bh);

return NULL;

}
函數(shù)__bread()執(zhí)行下述步驟：

調(diào)用__getblk()在頁(yè)高速緩存中查找與所請(qǐng)求的塊相關(guān)的緩沖區(qū)頁(yè)，并獲得指向相應(yīng)的緩沖區(qū)首部的指針。

如果塊已經(jīng)在頁(yè)高速緩存中并包含有效數(shù)據(jù)（if(buffer_uptodate(bh))檢查BH_Uptodate標(biāo)志被置位），就返回緩沖區(qū)首部的地址。

否則，get_bh(bh)遞增緩沖區(qū)首部的引用計(jì)數(shù)器。

把end_buffer_read_sync()的地址賦給b_end_io字段（參見(jiàn)下一博文）。

調(diào)用submit_bh()把緩沖區(qū)首部傳送到通用塊層。

調(diào)用wait_on_buffer()把當(dāng)前進(jìn)程插入等待隊(duì)列，直到I/O操作完成，即直到緩沖區(qū)首部的BH_Lock標(biāo)志被清0。

返回緩沖區(qū)首部的地址。

總結(jié)：__find_get_block()函數(shù)、__getblk（）函數(shù)和__bread（）函數(shù)之間的區(qū)別：
（1）__find_get_block（）函數(shù)：只是在頁(yè)高速緩存中查找塊緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)首部的地址，如果查找到則返回該緩沖區(qū)首部的地址，如果沒(méi)有找到則返回NULL。
（2）__getblk（）函數(shù)：功能和上面的函數(shù)是一樣的在頁(yè)高速緩存中查找塊緩沖區(qū)對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)首部的地址，如果查找到則返回該緩沖區(qū)首部的地址。但是在沒(méi)有找到的情況下該函數(shù)會(huì)分配該塊的緩沖區(qū)頁(yè)，并返回分配的緩沖區(qū)頁(yè)的地址。
（3）__bread（）函數(shù)完成的功能是在__getblk（）函數(shù)的基礎(chǔ)上，在返回緩沖區(qū)首部的地址之前從磁盤中讀取相應(yīng)的塊到頁(yè)高速緩沖中。
上面的三個(gè)函數(shù)的功能是一步一步的加強(qiáng)的。
七、總結(jié)
（1）緩沖區(qū):磁盤塊在物理內(nèi)存中的表示形式。
（2）緩沖區(qū)描述符:對(duì)緩沖區(qū)的相關(guān)信息的描述，描述了緩沖區(qū)與磁盤塊的映射關(guān)系。
（3）bio(塊I/O):真正的磁盤塊操作用bio來(lái)表示，無(wú)論是經(jīng)過(guò)頁(yè)面高速緩存的I/O還是直接I/O，都是用bio來(lái)操作數(shù)據(jù)塊的。
文章來(lái)源http://www.cnblogs.com/children/p/3420430.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux中的块缓冲的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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