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read()/write()的生命旅程-系列_libc read

作者：Gausst松鼠会 | 2024-03-17 14:03:48

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libc read
http://blog.sina.com.cn/s/blog_a558c25a0102v7nj.html
read()/write()是libc最常用的库函数，那么在application调用了read()/write()之后，发生了哪些事情，数据经过了怎样的流程才从media上读出到用户的buffer里，或是从用户buffer被写到media上的呢？本文将通过以下章节详细阐述整个过程。
第一章：文件系统基础
  1. 整个文件系统Overview
  2. 从libc到SYSCALL
  3. VFS的分发
  4. 重要概念：file, inode, page cache, file mapping, address space
第二章：read()
  1. read()：从file operation到page cache
  2. read()：从page cache到bio
  3. 重要概念：page cache, buffer head和bio
第三章：write()
  1. write()：从file operation到page cache
  2. write()：从page cache到writeback queue
第四章：writeback：
  1. writeback的init, register
  2. 从writeback queue到bio
第五章：从bio到media
  1. block layer的核心：request queue
  2. bio进入request queue
  3. ioscheduler
  4. request的接力
第一章：文件系统基础
1. 整个文件系统Overview
下图显示了Linux中文件系统涉及的所有模块，我们会在之后的章节了一个一个描述他们的职责和关系。

2. 从libc到SYSCALL
这一部分比较简单，libc调用了Kernel的SYSCALL read()/write():
SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
SYSCALL_DEFINE3(write, unsigned int, fd, const char __user *, buf, size_t, count)。
SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *, filename, int, flags, umode_t, mode)
{
if (force_o_largefile())
flags |= O_LARGEFILE;

return do_sys_open(AT_FDCWD, filename, flags, mode);
}
本文之后的read()/write()均是指kernel的SYSCALL read()/write。

3. VFS的分发
VFS的全称是 Virtual File System，即虚拟文件系统。他是位于各种实际的文件系统如ext2, ext3, nfs和用户层之间的接口，他的存在意义是：
  • 对用户层而言：VFS屏蔽了各种实际文件系统的差异点，为用户层提供了一套统一的接口来进行文件操作，用户不必关心实际的文件系统是什么。这套统一接口就是文件操作相关的一系列SYSCALL，如open(), read(), write(), seek()等。
  • 对于各种实际文件系统而言：VFS提供了一套统一接口，只要实现了这套接口，就能为用户提供这种文件系统的支持。实际的文件系统不需要关心用户会进行怎样的操作。这套接口就是各种文件系统注册到VFS的file_operations结构。下面是ext2的file_operations:
const struct file_operations ext2_file_operations = {
  .llseek     = generic_file_llseek,
  .read       = do_sync_read,
  .write      = do_sync_write,
  .aio_read   = generic_file_aio_read,
  .aio_write  = generic_file_aio_write,
  unlocked_ioctl = ext2_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
  .compat_ioctl   = ext2_compat_ioctl,
#endif
  .mmap       = generic_file_mmap,
  .open       = dquot_file_open,
  .release    = ext2_release_file,
  .fsync      = ext2_fsync,
  .splice_read    = generic_file_splice_read,
  .splice_write   = generic_file_splice_write,
};
在 发生SYSCALL read()/write()后，VFS会根据fd来判断该文件是哪种文件系统的文件，并调用相应的file_operations.read()来处理 。fd属于什么文件系统的对应关系是在read()/write()之前的open()时就已经建立的。下图表明了VFS的作用（假设APP要read/write的文件在ext2文件系统上）。

4. 重要概念：file, inode, page cache, address space
在讲解read()/write()的详细流程前，必须先理解文件系统的几个重要概念，否则后面的都是天书。

file:  是进程里一个打开的文件，它的有效范围就是打开它的进程。 如通过open()获得一个fd，这个fd只在这个进程里代表这个文件，对于其他进程这个fd无意义 。文件系统中的一个文件abc.txt，如果在process 1中fd1=open()一次，在proces 2中也fd2=open()一次，fd1和fd2是完全独立的，虽然他们打开的是media上的同一个文件。
inode： inode是kernel为每一个文件（目录也是文件）建立的数据结构。inode和media上实际的文件一一对应。前面提到的fd1和fd2打开的是同一个文件，所以他们指向一个inode。也就是说一个文件在许多进程中被打开，每个进程有自己的file, 但是这些file都指向同一个inode。这种指向是通过file->f_mapping->host来实现的。
page cache： 为了加快文件读写的速度，kernel会把最近访问的inode（也就是文件）的数据缓存在内存里，我们知道linux的内存管理的是以页为单位的，这些inode数据的缓存就叫做page cache。 注意是inode的数据不是inode本身。inode->i_mapping->page_tree指向了一个inode的被kernel缓存的所有page cache的tree。
file mapping:  文件被load到page cache里之后page还是物理地址，通过mmap2()或kmap()可以将page map到虚拟地址上，这样用户或kernel就可以读写page cache里的内容了。这个过程叫做file mapping。mmap2()是系统调用，将文件load到page cache并map到user space。kmap()是kernel里的函数，将page映射到kernel space。
address space:  这是一个比较难理解的概念。抽象的说 struct address_space是用来描述kernel里某一实体的物理缓存page ，以及这些page对应的虚拟地址映射的关系的。在文件系统这个实体就是inode，所以address_space->host != NULL，必须指向一个inode。在其他一个场合address_space->host可以为NULL。inode->i_mapping指向它的address space。每个进程里的file也有一个file->f_mapping，其实file->f_mapping在open()的时候就已经file->f_mapping=inode->i_mapping了。所以，所有同一个inode的file会共享address space。
一个inode的所有已经被缓存的page都在inode->i_mapping->page_tree里。这些page被map到所有进程的虚拟地址空间的描述即很多个vm_area_struct都在inode->mapping->i_mmap和inode->mapping->nonlinear里。注意：一个inode的page可以被不同的进程map，如Preocess 1和Process 2都map了file这个文件的page，因为每个进程的虚拟地址是独立的，所以在inode->mapping->i_mmap里有2个vm_area_struct分别描述在Process 1和Process 2里的map关系。
struct address_space里还有一个重要的成员struct address_space_operations *a_ops。address_space_operations定义了page cache的一系列操作，如.readpage(), .writepage()等。对于像linux这样支持page cache的文件系统，page cache的操作至关重要。 因为所有的文件读写都要通过page cache ，对文件的读写最后都要转化为page cache的读写。address_space_operations里的这些函数指针是每个特定的文件系统，如ext2, ext3等必须要实现的。在后面我们将详细阐述。
下面这张图显示了file, inode, page cache, file mapping，address space之间的关系。

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