buffer_head数据结构

news2024/12/30 4:20:59

内核版本:5.9.0

数据结构

/*
 * Historically, a buffer_head was used to map a single block
 * within a page, and of course as the unit of I/O through the
 * filesystem and block layers.  Nowadays the basic I/O unit
 * is the bio, and buffer_heads are used for extracting block
 * mappings (via a get_block_t call), for tracking state within
 * a page (via a page_mapping) and for wrapping bio submission
 * for backward compatibility reasons (e.g. submit_bh).
 */
struct buffer_head {
	unsigned long b_state;		/* buffer state bitmap (see above) */
	struct buffer_head *b_this_page;/* circular list of page's buffers */
	struct page *b_page;		/* the page this bh is mapped to */

	sector_t b_blocknr;		/* start block number */
	size_t b_size;			/* size of mapping,等于block size */
	char *b_data;			/* pointer to data within the page */

	struct block_device *b_bdev;
	bh_end_io_t *b_end_io;		/* I/O completion */
 	void *b_private;		/* reserved for b_end_io */
	struct list_head b_assoc_buffers; /* associated with another mapping */
	struct address_space *b_assoc_map;	/* mapping this buffer is
						   associated with */
	atomic_t b_count;		/* users using this buffer_head */
	spinlock_t b_uptodate_lock;	/* Used by the first bh in a page, to
					 * serialise IO completion of other
					 * buffers in the page */
};

历史上:buffer_head用来将一个单独的block映射到一个page,一般80x86体系结构上,根据block size大小,一个page可以包含1-8个block,比如如果block size = 1K,那么一个缓存page缓存4个block,且buffer_head是文件系统和block layer的io基本单位。

现在:bio取代了buffer_head作为io基本单位。

buffer_head和page关系

假设page size = 4K, block size = 1K

  • 一个4K page可以缓存4个1K的block, 每一个block通过buffer_head描述,这四个buffer_head通过b_this_page单向连接。
  • buffer_head中的b_data指向对应的缓冲区地址。注意:如果page是high mem,b_data存放的缓冲区业内的偏移量,比如第一个缓冲区b_data = 0,第二个是1K,第三个是2K。如果page在非high mem,b_data指向对应缓冲区的虚拟地址。
  • page中的private指向第一个buffer_head

数据结构构建的代码

fs/buffer.c :

//创建page的buffer_head
static struct buffer_head *create_page_buffers(struct page *page, struct inode *inode, unsigned int b_state)
{
	BUG_ON(!PageLocked(page));

    //inode->i_blkbits是用bit表示的块大小,比如block size = 4K, i_blkbits = 12;
    //create_empty_buffers进行真正的创建逻辑。
	if (!page_has_buffers(page))
		create_empty_buffers(page, 1 << READ_ONCE(inode->i_blkbits),
				     b_state);

    //返回page->private,即首个buffer_head
	return page_buffers(page);
}

/* If we *know* page->private refers to buffer_heads */
#define page_buffers(page)                  \                                                                                                                            
    ({                          \
        BUG_ON(!PagePrivate(page));         \
        ((struct buffer_head *)page_private(page)); \
    })
#define page_has_buffers(page)  PagePrivate(page)

/*
 * We attach and possibly dirty the buffers atomically wrt
 * __set_page_dirty_buffers() via private_lock.  try_to_free_buffers
 * is already excluded via the page lock.
 */
void create_empty_buffers(struct page *page,
			unsigned long blocksize, unsigned long b_state)
{
	struct buffer_head *bh, *head, *tail;

    //真正的buffer_head创建函数,返回首个buffer_head
	head = alloc_page_buffers(page, blocksize, true);
	bh = head;

    //tail指向最后一个buffer_head,将首个和最后一个buffer_head连接
	do {
		bh->b_state |= b_state;
		tail = bh;
		bh = bh->b_this_page;
	} while (bh);
	tail->b_this_page = head;

	spin_lock(&page->mapping->private_lock);
	if (PageUptodate(page) || PageDirty(page)) {
		bh = head;
		do {
			if (PageDirty(page))
				set_buffer_dirty(bh);
			if (PageUptodate(page))
				set_buffer_uptodate(bh);
			bh = bh->b_this_page;
		} while (bh != head);
	}
    //设置page->private指向首个buffer_head
	attach_page_private(page, head);
	spin_unlock(&page->mapping->private_lock);
}


struct buffer_head *alloc_page_buffers(struct page *page, unsigned long size,
		bool retry)
{
	struct buffer_head *bh, *head;
	gfp_t gfp = GFP_NOFS | __GFP_ACCOUNT;
	long offset;
	struct mem_cgroup *memcg;

	if (retry)
		gfp |= __GFP_NOFAIL;

	memcg = get_mem_cgroup_from_page(page);
	memalloc_use_memcg(memcg);

	head = NULL;
	offset = PAGE_SIZE;
    //当前场景offset = 4K size = 1K
	while ((offset -= size) >= 0) {
		bh = alloc_buffer_head(gfp);
		if (!bh)
			goto no_grow;

		bh->b_this_page = head;
		bh->b_blocknr = -1;
		head = bh;

		bh->b_size = size;

		/* Link the buffer to its page */
		set_bh_page(bh, page, offset);
	}
out:
	memalloc_unuse_memcg();
	mem_cgroup_put(memcg);
	return head;
/*
 * In case anything failed, we just free everything we got.
 */
no_grow:
	if (head) {
		do {
			bh = head;
			head = head->b_this_page;
			free_buffer_head(bh);
		} while (head);
	}

	goto out;
}


/**
 * attach_page_private - Attach private data to a page.
 * @page: Page to attach data to.
 * @data: Data to attach to page.
 *
 * Attaching private data to a page increments the page's reference count.
 * The data must be detached before the page will be freed.
 */
static inline void attach_page_private(struct page *page, void *data)
{
	get_page(page);
	set_page_private(page, (unsigned long)data);
	SetPagePrivate(page);
}

   buffer_head的状态b_state

enum bh_state_bits {
    BH_Uptodate,    /* Contains valid data */
    BH_Dirty,   /* Is dirty */
    BH_Lock,    /* Is locked */
    BH_Req,     /* Has been submitted for I/O */

    BH_Mapped,  /* Has a disk mapping */
    BH_New,     /* Disk mapping was newly created by get_block */
    BH_Async_Read,  /* Is under end_buffer_async_read I/O */
    BH_Async_Write, /* Is under end_buffer_async_write I/O */
    BH_Delay,   /* Buffer is not yet allocated on disk */
    BH_Boundary,    /* Block is followed by a discontiguity */
    BH_Write_EIO,   /* I/O error on write */
    BH_Unwritten,   /* Buffer is allocated on disk but not written */
    BH_Quiet,   /* Buffer Error Prinks to be quiet */
    BH_Meta,    /* Buffer contains metadata */
    BH_Prio,    /* Buffer should be submitted with REQ_PRIO */                                                                                                           
    BH_Defer_Completion, /* Defer AIO completion to workqueue */

    BH_PrivateStart,/* not a state bit, but the first bit available
             * for private allocation by other entities
             */
};

BH_Uptodate : 数据有效,磁盘文件已缓存,且两者相同。

BH_Dirty : 缓冲区数据更新,跟磁盘文件不同,必须写回块设备。

BH_Lock : 加锁,通常是缓冲区正在进行磁盘传输。

BH_Req : 提交io请求。

BH_Mapped : 缓冲区和磁盘已映射,即,buffer_head中b_bdev和b_blocknr已设置。

BH_New : 磁盘映射刚刚创建。

b_state相关函数 include/linux/buffer_head.h

/*
 * macro tricks to expand the set_buffer_foo(), clear_buffer_foo()
 * and buffer_foo() functions.
 * To avoid reset buffer flags that are already set, because that causes
 * a costly cache line transition, check the flag first.
 */
#define BUFFER_FNS(bit, name)                       \
static __always_inline void set_buffer_##name(struct buffer_head *bh)   \
{                                   \
    if (!test_bit(BH_##bit, &(bh)->b_state))            \
        set_bit(BH_##bit, &(bh)->b_state);          \
}                                   \
static __always_inline void clear_buffer_##name(struct buffer_head *bh) \
{                                   \
    clear_bit(BH_##bit, &(bh)->b_state);                \
}                                   \
static __always_inline int buffer_##name(const struct buffer_head *bh)  \
{                                   \
    return test_bit(BH_##bit, &(bh)->b_state);          \
}

/*
 * test_set_buffer_foo() and test_clear_buffer_foo()
 */
#define TAS_BUFFER_FNS(bit, name)                   \
static __always_inline int test_set_buffer_##name(struct buffer_head *bh) \
{                                   \
    return test_and_set_bit(BH_##bit, &(bh)->b_state);      \
}                                   \
static __always_inline int test_clear_buffer_##name(struct buffer_head *bh) \
{                                   \
    return test_and_clear_bit(BH_##bit, &(bh)->b_state);        \
}                                   \

/*
 * Emit the buffer bitops functions.   Note that there are also functions
 * of the form "mark_buffer_foo()".  These are higher-level functions which
 * do something in addition to setting a b_state bit.
 */
BUFFER_FNS(Uptodate, uptodate)
BUFFER_FNS(Dirty, dirty)
TAS_BUFFER_FNS(Dirty, dirty)
BUFFER_FNS(Lock, locked)
BUFFER_FNS(Req, req)
TAS_BUFFER_FNS(Req, req)
BUFFER_FNS(Mapped, mapped)
BUFFER_FNS(New, new)
BUFFER_FNS(Async_Read, async_read)
BUFFER_FNS(Async_Write, async_write)
BUFFER_FNS(Delay, delay)
BUFFER_FNS(Boundary, boundary)
BUFFER_FNS(Write_EIO, write_io_error)
BUFFER_FNS(Unwritten, unwritten)
BUFFER_FNS(Meta, meta)
BUFFER_FNS(Prio, prio)
BUFFER_FNS(Defer_Completion, defer_completion)

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