文件缓存的读写

文件系统的读写，其实就是调用系统函数 read 和 write。下面的代码就是 read 和 write 的系统调用，在内核里面的定义。

SYSCALL_DEFINE3(read, unsigned int, fd, char __user *, buf, size_t, count)
{
  struct fd f = fdget_pos(fd);
......
  loff_t pos = file_pos_read(f.file);
  ret = vfs_read(f.file, buf, count, &pos);
......
}


SYSCALL_DEFINE3(write, unsigned int, fd, const char __user *, buf,
    size_t, count)
{
  struct fd f = fdget_pos(fd);
......
  loff_t pos = file_pos_read(f.file);
    ret = vfs_write(f.file, buf, count, &pos);
......
}

对于 read 来讲，里面调用 vfs_read->__vfs_read。对于 write 来讲，里面调用 vfs_write->__vfs_write。下面是 __vfs_read 和 __vfs_write 的代码。

ssize_t __vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count,
       loff_t *pos)
{
  if (file->f_op->read)
    return file->f_op->read(file, buf, count, pos);
  else if (file->f_op->read_iter)
    return new_sync_read(file, buf, count, pos);
  else
    return -EINVAL;
}


ssize_t __vfs_write(struct file *file, const char __user *p, size_t count,
        loff_t *pos)
{
  if (file->f_op->write)
    return file->f_op->write(file, p, count, pos);
  else if (file->f_op->write_iter)
    return new_sync_write(file, p, count, pos);
  else
    return -EINVAL;
}

缓存其实就是内存中的一块空间。因为内存比硬盘快得多，Linux 为了改进性能，有时候会选择不直接操作硬盘，而是读写都在内存中，然后批量读取或者写入硬盘。一旦能够命中内存，读写效率就会大幅度提高。

根据是否使用内存做缓存，我们可以把文件的 I/O 操作分为两种类型。

第一种类型是缓存 I/O。大多数文件系统的默认 I/O 操作都是缓存 I/O。对于读操作来讲，操作系统会先检查，内核的缓冲区有没有需要的数据。如果已经缓存了，那就直接从缓存中返回；否则从磁盘中读取，然后缓存在操作系统的缓存中。对于写操作来讲，操作系统会先将数据从用户空间复制到内核空间的缓存中。

第二种类型是直接 IO，就是应用程序直接访问磁盘数据，而不经过内核缓冲区，从而减少了在内核缓存和用户程序之间数据复制。

ext4 是一种日志文件系统，是为了防止突然断电的时候的数据丢失，引入了日志**（Journal）**模式。日志文件系统比非日志文件系统多了一个 Journal 区域。文件在 ext4 中分两部分存储，一部分是文件的元数据，另一部分是数据。元数据和数据的操作日志 Journal 也是分开管理的。你可以在挂载 ext4 的时候，选择 Journal 模式。这种模式在将数据写入文件系统前，必须等待元数据和数据的日志已经落盘才能发挥作用。这样性能比较差，但是最安全。

另一种模式是 order 模式。这个模式不记录数据的日志，只记录元数据的日志，但是在写元数据的日志前，必须先确保数据已经落盘。这个折中，是默认模式。

还有一种模式是 writeback，不记录数据的日志，仅记录元数据的日志，并且不保证数据比元数据先落盘。这个性能最好，但是最不安全。

每一个打开的文件都有一个 struct file 结构，每个 struct file 结构都有一个 struct address_space 用于关联文件和内存，就是在这个结构里面，有一棵树，用于保存所有与这个文件相关的的缓存页。

直接 I/O 读写的流程是一样的，调用 ext4_direct_IO，再往下就调用块设备层了。缓存 I/O 读写的流程不一样。对于读，从块设备读取到缓存中，然后从缓存中拷贝到用户态。对于写，从用户态拷贝到缓存，设置缓存页为脏，然后启动一个线程写入块设备。

此文章为11月Day10学习笔记，内容来源于极客时间《趣谈Linux操作系统》，推荐该课程。