Linux内核设计与实现笔记（一） 虚拟文件系统、块I/O层

虚拟文件系统

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　　系统内所有文件系统不但依赖VFS共存，而且也依靠VFS系统协同工作。

　　VFS使得用户可以直接使用open/read/write等系统调用，而无需考虑具体文件系统和实际物理介质。

　　VFS中具有四个主要的对象类型：

• 　　超级块 super_block
  •       代表一个已安装的文件系统
  • 　　通常对应于存放在磁盘特定扇区中的文件系统超级块或文件系统控制块。
• 　　索引节点 inode
  • 　　代表文件系统中（虽然索引节点仅当文件被访问时，才在内存中创建）的一个文件，它也可以是设备或管道这样的特殊文件
  • 　　包含内核在操作文件或目录时需要的全部信息
• 　　目录項对象 denty
  • 　　代表一个目录项，是路径的一个组成部分
  •       VFS把目录当作文件对待，所以路径/bin/vi中，bin和vi都属于文件--bin是特殊的目录而vi是一个普通文件，路径中的每个组成部分由有一个索引节点对象表示。每个denty代表路径中的一个特定部分，/，bin和vi都属于denty，前两个是目录，后一个是文件。
• 　　文件对象 file
  • 　　表示进程已经打开的文件（即一大开的文件在内存中的表示）。

 

块I/O层

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　　字符设备和块设备的根本区别在于他们是否可以被随机访问，就是能否在访问设备时随意地从一个位置跳转到另一个位置。

1.块设备中最小的可寻址单元是扇区。扇区一般是2的整数倍，最常见的是512字节大小的。

2.当一个快被调入内存时，它要存储在一个缓冲区中，每个缓冲区都有一个对应的描述符，buffer_head（缓冲区头<linux/buffer_head.h>,包含缓冲区所需要的所有信息）。

3.目前内核中块I/O操作的基本容器由bio结构体表示<linux/bio.h>，代表正在现场执行的I/O操作，管理相关信息。

4.I/O调度程序，在请求提交前，先执行名为合并和排序的预操作。

　　I/O调度程序将磁盘I/O资源分配给系统中所有挂起的块I/O请求。这种资源分配是通过将请求队列中挂起的请求合并和排序来完成的。而进程调度程序的作用是将处理器资源分配给系统中的运行进程。

　　I/O调度程序的工作是管理块设备的请求队列。整个请求队列按扇区增长的方向排列，使所有请求按硬盘上扇区的排列顺序有序排列（尽可能），这样可以缩短单独一次请求的寻址时间，更重要的优化在于，通过保持磁盘头以直线方向移动，缩短了有所请求的磁盘寻址时间。该排序算法类似于电梯调度。

 　　linus电梯可能发生的四种操作：

1. 如果队列中已经存在一个对相邻磁盘扇区操作的请求，那么新请求将和这个已经存在的请求合并成一个请求。
2. 如果队列中存在一个驻留时间过长的请求，那么新请求将被插入到队列尾部，以防止其他旧的请求发生饥饿。
3. 如果队列中以扇区方向为序存在合适的插入位置，那么新请求就插入该位置，保证队列中的请求是以被访问磁盘物理位置为序进行排列的。
4. 如果队列中不存在合适的请求插入位置，请求将被插入到队列尾部。

　　目前2.6内核中已经有四种不同的I/O调度程序：

• 　　最终期限I/O调度程序
  • 为了减少请求饥饿，降低读操作响应时间，必须以降低全局吞吐量为代价。通过增加一个超时时间，并按照一定的请求类型排序，读写请求分别插入到特定的读/写FIFO队列中，当有请求超时，就会提取出请求进行服务。/block/deadline-iosched.c
• 　　预测I/O调度程序
  • 保证良好的读操作，也能维持良好的全局吞吐量。请求提交之后并不直接返回处理其他请求，而是会刻意的空闲片刻（默认为6毫秒），对于提交其他读操作请求是一个好机会，任何相邻磁盘位置操作的求情都回立刻得到处理。这种预测行为通过一系列的启发和统计工作完成。/block/as-iosched.c
• 　　完全公正的排队I/O调度程序
  • 　　专门为工作负荷设计，如音频播放器总能即时从磁盘再填满它的音频缓冲区。把进入I/O请求放入特定的队列中，这种队列是根据引起I/O请求的进程组织的。以时间片轮转调度队列，从每个队列中选取请求数，然后进行下一轮调度。/block/cfq-iosched.c
• 　　空操作的I/O调度程序
  • 　　不排序，也不进行其他预测，它是专为随机访问设备而设计的，如闪存卡。/block/noop-iosched.c

　　内核命令行选项 elevator = cfq 会启动完全公正的I/O调度程序给所有的块设备。参数可选as（预测）、cfq（完全公正的排队）、deadline（最终期限）、noop（空操作）。