Linux的文件系统及文件缓存知识点整理

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Linux的文件系统

文件系统的特点

  1. 文件系统要有严格的组织形式,使得文件能够以块为单位进行存储。

  2. 文件系统中也要有索引区,用来方便查找一个文件分成的多个块都存放在了什么位置。

  3. 如果文件系统中有的文件是热点文件,近期经常被读取和写入,文件系统应该有缓存层。

  4. 文件应该用文件夹的形式组织起来,方便管理和查询。

  5. Linux内核要在自己的内存里面维护一套数据结构,来保存哪些文件被哪些进程打开和使用。

    总体来说,文件系统的主要功能梳理如下:

    img

ext系列的文件系统的格式

inode与块的存储

硬盘分成相同大小的单元,我们称为块(Block)。一块的大小是扇区大小的整数倍,默认是4K。在格式化的时候,这个值是可以设定的。

一大块硬盘被分成了一个个小的块,用来存放文件的数据部分。这样一来,如果我们像存放一个文件,就不用给他分配一块连续的空间了。我们可以分散成一个个小块进行存放。这样就灵活得多,也比较容易添加、删除和插入数据。

inode就是文件索引的意思,我们每个文件都会对应一个inode;一个文件夹就是一个文件,也对应一个inode。

inode数据结构如下:

struct ext4_inode {
	__le16	i_mode;		/* File mode */
	__le16	i_uid;		/* Low 16 bits of Owner Uid */
	__le32	i_size_lo;	/* Size in bytes */
	__le32	i_atime;	/* Access time */
	__le32	i_ctime;	/* Inode Change time */
	__le32	i_mtime;	/* Modification time */
	__le32	i_dtime;	/* Deletion Time */
	__le16	i_gid;		/* Low 16 bits of Group Id */
	__le16	i_links_count;	/* Links count */
	__le32	i_blocks_lo;	/* Blocks count */
	__le32	i_flags;	/* File flags */
......
	__le32	i_block[EXT4_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
	__le32	i_generation;	/* File version (for NFS) */
	__le32	i_file_acl_lo;	/* File ACL */
	__le32	i_size_high;
......
};

inode里面有文件的读写权限i_mode,属于哪个用户i_uid,哪个组i_gid,大小是多少i_size_io,占用多少个块i_blocks_io,i_atime是access time,是最近一次访问文件的时间;i_ctime是change time,是最近一次更改inode的时间;i_mtime是modify time,是最近一次更改文件的时间等。

所有的文件都是保存在i_block里面。具体保存规则由EXT4_N_BLOCKS决定,EXT4_N_BLOCKS有如下的定义:

#define	EXT4_NDIR_BLOCKS		12
#define	EXT4_IND_BLOCK			EXT4_NDIR_BLOCKS
#define	EXT4_DIND_BLOCK			(EXT4_IND_BLOCK + 1)
#define	EXT4_TIND_BLOCK			(EXT4_DIND_BLOCK + 1)
#define	EXT4_N_BLOCKS			(EXT4_TIND_BLOCK + 1)

在ext2和ext3中,其中前12项直接保存了块的位置,也就是说,我们可以通过i_block[0-11],直接得到保存文件内容的块。

img

但是,如果一个文件比较大,12块放不下。当我们用到i_block[12]的时候,就不能直接放数据块的位置了,要不然i_block很快就会用完了。

那么可以让i_block[12]指向一个块,这个块里面不放数据块,而是放数据块的位置,这个块我们称为间接块。如果文件再大一些,i_block[13]会指向一个块,我们可以用二次间接块。二次间接块里面存放了间接块的位置,间接块里面存放了数据块的位置,数据块里面存放的是真正的数据。如果文件再大点,那么i_block[14]同理。

这里面有一个非常显著的问题,对于大文件来讲,我们要多次读取硬盘才能找到相应的块,这样访问速度就会比较慢。

为了解决这个问题,ext4做了一定的改变。它引入了一个新的概念,叫作Extents。比方说,一个文件大小为128M,如果使用4k大小的块进行存储,需要32k个块。如果按照ext2或者ext3那样散着放,数量太大了。但是Extents可以用于存放连续的块,也就是说,我们可以把128M放在一个Extents里面。这样的话,对大文件的读写性能提高了,文件碎片也减少了。

Exents是一个树状结构:

img

每个节点都有一个头,ext4_extent_header可以用来描述某个节点。

struct ext4_extent_header {
	__le16	eh_magic;	/* probably will support different formats */
	__le16	eh_entries;	/* number of valid entries */
	__le16	eh_max;		/* capacity of store in entries */
	__le16	eh_depth;	/* has tree real underlying blocks? */
	__le32	eh_generation;	/* generation of the tree */
};

eh_entries表示这个节点里面有多少项。这里的项分两种,如果是叶子节点,这一项会直接指向硬盘上的连续块的地址,我们称为数据节点ext4_extent;如果是分支节点,这一项会指向下一层的分支节点或者叶子节点,我们称为索引节点ext4_extent_idx。这两种类型的项的大小都是12个byte。

/*
 * This is the extent on-disk structure.
 * It's used at the bottom of the tree.
 */
struct ext4_extent {
	__le32	ee_block;	/* first logical block extent covers */
	__le16	ee_len;		/* number of blocks covered by extent */
	__le16	ee_start_hi;	/* high 16 bits of physical block */
	__le32	ee_start_lo;	/* low 32 bits of physical block */
};
/*
 * This is index on-disk structure.
 * It's used at all the levels except the bottom.
 */
struct ext4_extent_idx {
	__le32	ei_block;	/* index covers logical blocks from 'block' */
	__le32	ei_leaf_lo;	/* pointer to the physical block of the next *
				 * level. leaf or next index could be there */
	__le16	ei_leaf_hi;	/* high 16 bits of physical block */
	__u16	ei_unused;
};

如果文件不大,inode里面的i_block中,可以放得下一个ext4_extent_header和4项ext4_extent。所以这个时候,eh_depth为0,也即inode里面的就是叶子节点,树高度为0。

如果文件比较大,4个extent放不下,就要分裂成为一棵树,eh_depth>0的节点就是索引节点,其中根节点深度最大,在inode中。最底层eh_depth=0的是叶子节点。

除了根节点,其他的节点都保存在一个块4k里面,4k扣除ext4_extent_header的12个byte,剩下的能够放340项,每个extent最大能表示128MB的数据,340个extent会使你的表示的文件达到42.5GB。

inode位图和块位图

inode的位图大小为4k,每一位对应一个inode。如果是1,表示这个inode已经被用了;如果是0,则表示没被用。block的位图同理。

在Linux操作系统里面,想要创建一个新文件,会调用open函数,并且参数会有O_CREAT。这表示当文件找不到的时候,我们就需要创建一个。那么open函数的调用过程大致是:要打开一个文件,先要根据路径找到文件夹。如果发现文件夹下面没有这个文件,同时又设置了O_CREAT,就说明我们要在这个文件夹下面创建一个文件。

创建一个文件,那么就需要创建一个inode,那么就会从文件系统里面读取inode位图,然后找到下一个为0的inode,就是空闲的inode。对于block位图,在写入文件的时候,也会有这个过程。

文件系统的格式

数据块的位图是放在一个块里面的,共4k。每位表示一个数据块,共可以表示$4 * 1024 * 8 = 2{15}$个数据块。如果每个数据块也是按默认的4K,最大可以表示空间为$2{15} * 4 * 1024 = 2^{27}$个byte,也就是128M,那么显然是不够的。

这个时候就需要用到块组,数据结构为ext4_group_desc,这里面对于一个块组里的inode位图bg_inode_bitmap_lo、块位图bg_block_bitmap_lo、inode列表bg_inode_table_lo,都有相应的成员变量。

这样一个个块组,就基本构成了我们整个文件系统的结构。因为块组有多个,块组描述符也同样组成一个列表,我们把这些称为块组描述符表。

我们还需要有一个数据结构,对整个文件系统的情况进行描述,这个就是超级块ext4_super_block。里面有整个文件系统一共有多少inode,s_inodes_count;一共有多少块,s_blocks_count_lo,每个块组有多少inode,s_inodes_per_group,每个块组有多少块,s_blocks_per_group等。这些都是这类的全局信息。

最终,整个文件系统格式就是下面这个样子。

img

默认情况下,超级块和块组描述符表都有副本保存在每一个块组里面。防止这些数据丢失了,导致整个文件系统都打不开了。

由于如果每个块组里面都保存一份完整的块组描述符表,一方面很浪费空间;另一个方面,由于一个块组最大128M,而块组描述符表里面有多少项,这就限制了有多少个块组,128M * 块组的总数目是整个文件系统的大小,就被限制住了。

因此引入Meta Block Groups特性。

首先,块组描述符表不会保存所有块组的描述符了,而是将块组分成多个组,我们称为元块组(Meta Block Group)。每个元块组里面的块组描述符表仅仅包括自己的,一个元块组包含64个块组,这样一个元块组中的块组描述符表最多64项。

我们假设一共有256个块组,原来是一个整的块组描述符表,里面有256项,要备份就全备份,现在分成4个元块组,每个元块组里面的块组描述符表就只有64项了,这就小多了,而且四个元块组自己备份自己的。

img

根据图中,每一个元块组包含64个块组,块组描述符表也是64项,备份三份,在元块组的第一个,第二个和最后一个块组的开始处。

如果开启了sparse_super特性,超级块和块组描述符表的副本只会保存在块组索引为0、3、5、7的整数幂里。所以上图的超级块只在索引为0、3、5、7等的整数幂里。

目录的存储格式

其实目录本身也是个文件,也有inode。inode里面也是指向一些块。和普通文件不同的是,普通文件的块里面保存的是文件数据,而目录文件的块里面保存的是目录里面一项一项的文件信息。这些信息我们称为ext4_dir_entry。

在目录文件的块中,最简单的保存格式是列表,每一项都会保存这个目录的下一级的文件的文件名和对应的inode,通过这个inode,就能找到真正的文件。第一项是“.”,表示当前目录,第二项是“…”,表示上一级目录,接下来就是一项一项的文件名和inode。

如果在inode中设置EXT4_INDEX_FL标志,那么就表示根据索引查找文件。索引项会维护一个文件名的哈希值和数据块的一个映射关系。

如果我们要查找一个目录下面的文件名,可以通过名称取哈希。如果哈希能够匹配上,就说明这个文件的信息在相应的块里面。然后打开这个块,如果里面不再是索引,而是索引树的叶子节点的话,那里面还是ext4_dir_entry的列表,我们只要一项一项找文件名就行。通过索引树,我们可以将一个目录下面的N多的文件分散到很多的块里面,可以很快地进行查找。

img

Linux中的文件缓存

ext4文件系统层

对于ext4文件系统来讲,内核定义了一个ext4_file_operations。

const struct file_operations ext4_file_operations = {
......
	.read_iter	= ext4_file_read_iter,
	.write_iter	= ext4_file_write_iter,
......
}

ext4_file_read_iter会调用generic_file_read_iter,ext4_file_write_iter会调用__generic_file_write_iter。

ssize_t
generic_file_read_iter(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *iter)
{
......
    if (iocb->ki_flags & IOCB_DIRECT) {
......
        struct address_space *mapping = file->f_mapping;
......
        retval = mapping->a_ops->direct_IO(iocb, iter);
    }
......
    retval = generic_file_buffered_read(iocb, iter, retval);
}


ssize_t __generic_file_write_iter(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *from)
{
......
    if (iocb->ki_flags & IOCB_DIRECT) {
......
        written = generic_file_direct_write(iocb, from);
......
    } else {
......
		written = generic_perform_write(file, from, iocb->ki_pos);
......
    }
}

generic_file_read_iter和__generic_file_write_iter有相似的逻辑,就是要区分是否用缓存。因此,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。这时对用户程序来说,写操作就已经完成。至于什么时候再写到磁盘中由操作系统决定,除非显式地调用了sync同步命令。

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。

如果在写的逻辑__generic_file_write_iter里面,发现设置了IOCB_DIRECT,则调用generic_file_direct_write,里面同样会调用address_space的direct_IO的函数,将数据直接写入硬盘。

带缓存的写入操作

我们先来看带缓存写入的函数generic_perform_write。

ssize_t generic_perform_write(struct file *file,
				struct iov_iter *i, loff_t pos)
{
	struct address_space *mapping = file->f_mapping;
	const struct address_space_operations *a_ops = mapping->a_ops;
	do {
		struct page *page;
		unsigned long offset;	/* Offset into pagecache page */
		unsigned long bytes;	/* Bytes to write to page */
		status = a_ops->write_begin(file, mapping, pos, bytes, flags,
						&page, &fsdata);
		copied = iov_iter_copy_from_user_atomic(page, i, offset, bytes);
		flush_dcache_page(page);
		status = a_ops->write_end(file, mapping, pos, bytes, copied,
						page, fsdata);
		pos += copied;
		written += copied;


		balance_dirty_pages_ratelimited(mapping);
	} while (iov_iter_count(i));
}

循环中主要做了这几件事:

  • 对于每一页,先调用address_space的write_begin做一些准备;
  • 调用iov_iter_copy_from_user_atomic,将写入的内容从用户态拷贝到内核态的页中;
  • 调用address_space的write_end完成写操作;
  • 调用balance_dirty_pages_ratelimited,看脏页是否太多,需要写回硬盘。所谓脏页,就是写入到缓存,但是还没有写入到硬盘的页面。

对于第一步,调用的是ext4_write_begin来说,主要做两件事:

第一做日志相关的工作。

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。

第二调用grab_cache_page_write_begin来,得到应该写入的缓存页。

struct page *grab_cache_page_write_begin(struct address_space *mapping,
					pgoff_t index, unsigned flags)
{
	struct page *page;
	int fgp_flags = FGP_LOCK|FGP_WRITE|FGP_CREAT;
	page = pagecache_get_page(mapping, index, fgp_flags,
			mapping_gfp_mask(mapping));
	if (page)
		wait_for_stable_page(page);
	return page;
}

在内核中,缓存以页为单位放在内存里面,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。

对于第二步,调用iov_iter_copy_from_user_atomic。先将分配好的页面调用kmap_atomic映射到内核里面的一个虚拟地址,然后将用户态的数据拷贝到内核态的页面的虚拟地址中,调用kunmap_atomic把内核里面的映射删除。

size_t iov_iter_copy_from_user_atomic(struct page *page,
		struct iov_iter *i, unsigned long offset, size_t bytes)
{
	char *kaddr = kmap_atomic(page), *p = kaddr + offset;
	iterate_all_kinds(i, bytes, v,
		copyin((p += v.iov_len) - v.iov_len, v.iov_base, v.iov_len),
		memcpy_from_page((p += v.bv_len) - v.bv_len, v.bv_page,
				 v.bv_offset, v.bv_len),
		memcpy((p += v.iov_len) - v.iov_len, v.iov_base, v.iov_len)
	)
	kunmap_atomic(kaddr);
	return bytes;
}

第三步中,调用ext4_write_end完成写入。这里面会调用ext4_journal_stop完成日志的写入,会调用block_write_end->__block_commit_write->mark_buffer_dirty,将修改过的缓存标记为脏页。可以看出,其实所谓的完成写入,并没有真正写入硬盘,仅仅是写入缓存后,标记为脏页

第四步,调用 balance_dirty_pages_ratelimited,是回写脏页。

/**
 * balance_dirty_pages_ratelimited - balance dirty memory state
 * @mapping: address_space which was dirtied
 *
 * Processes which are dirtying memory should call in here once for each page
 * which was newly dirtied.  The function will periodically check the system's
 * dirty state and will initiate writeback if needed.
  */
void balance_dirty_pages_ratelimited(struct address_space *mapping)
{
	struct inode *inode = mapping->host;
	struct backing_dev_info *bdi = inode_to_bdi(inode);
	struct bdi_writeback *wb = NULL;
	int ratelimit;
......
	if (unlikely(current->nr_dirtied >= ratelimit))
		balance_dirty_pages(mapping, wb, current->nr_dirtied);
......
}

在balance_dirty_pages_ratelimited里面,发现脏页的数目超过了规定的数目,就调用balance_dirty_pages->wb_start_background_writeback,启动一个背后线程开始回写。

另外还有几种场景也会触发回写:

  • 用户主动调用sync,将缓存刷到硬盘上去,最终会调用wakeup_flusher_threads,同步脏页;
  • 当内存十分紧张,以至于无法分配页面的时候,会调用free_more_memory,最终会调用wakeup_flusher_threads,释放脏页;
  • 脏页已经更新了较长时间,时间上超过了设定时间,需要及时回写,保持内存和磁盘上数据一致性。

带缓存的读操作

看带缓存的读,对应的是函数generic_file_buffered_read。

static ssize_t generic_file_buffered_read(struct kiocb *iocb,
		struct iov_iter *iter, ssize_t written)
{
	struct file *filp = iocb->ki_filp;
	struct address_space *mapping = filp->f_mapping;
	struct inode *inode = mapping->host;
	for (;;) {
		struct page *page;
		pgoff_t end_index;
		loff_t isize;
		page = find_get_page(mapping, index);
		if (!page) {
			if (iocb->ki_flags & IOCB_NOWAIT)
				goto would_block;
			page_cache_sync_readahead(mapping,
					ra, filp,
					index, last_index - index);
			page = find_get_page(mapping, index);
			if (unlikely(page == NULL))
				goto no_cached_page;
		}
		if (PageReadahead(page)) {
			page_cache_async_readahead(mapping,
					ra, filp, page,
					index, last_index - index);
		}
		/*
		 * Ok, we have the page, and it's up-to-date, so
		 * now we can copy it to user space...
		 */
		ret = copy_page_to_iter(page, offset, nr, iter);
    }
}

在generic_file_buffered_read函数中,我们需要先找到page cache里面是否有缓存页。如果没有找到,不但读取这一页,还要进行预读,这需要在page_cache_sync_readahead函数中实现。预读完了以后,再试一把查找缓存页。

如果第一次找缓存页就找到了,我们还是要判断,是不是应该继续预读;如果需要,就调用page_cache_async_readahead发起一个异步预读。

最后,copy_page_to_iter会将内容从内核缓存页拷贝到用户内存空间。

posted @ 2020-06-07 17:07  luozhiyun  阅读(295)  评论(1编辑  收藏