V2AS问路
Linux 0.11源码阅读笔记-文件IO流程
阅读原文时间：2022年04月03日阅读：1

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？

  • 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

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=%06o\n\r",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=%06o\n\r",inode->i_mode);
    return -EINVAL;
}

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 NULL\n");
    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;
}

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-device\n\r");
        return;
    }

    // 将读写请求加入设备请求队列
    make_request(major,rw,bh);
}

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");
}

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