Разработка ядра Linux

Назначение заголовка буфера — это описание отображения между блоком на диске и буфером в физической памяти (т.е. последовательностью байтов, которые хранятся в указанной странице памяти). Выполнение роли дескриптора отображения буфер-блок — единственное назначение этой структуры данных ядра.

В ядрах до серии 2.6 заголовок буфера был значительно более важной структурой данных. По существу, это была единица ввода-вывода данных в ядре. Он не только выполнял роль дескриптора для отображения буфер-блок-страница физической памяти, но и выступал контейнером для всех операций блочного ввода-вывода. Это приводило к двум проблемам. Первая проблема заключалась в том, что заголовок буфера был большой и громоздкой структурой данных (сегодня он несколько уменьшился в размерах), а кроме того, выполнение операций блочного ввода-вывода в терминах заголовков буферов было непростой и довольно непонятной задачей. Вместо этого, ядру лучше работать со страницами памяти, что одновременно и проще и позволяет получить большую производительность. Использовать большой заголовок буфера, описывающий отдельный буфер (который может быть размером со страницу памяти), — неэффективно. В связи с этим в ядрах серии 2.6 было сделано много работы, чтобы дать возможность ядру выполнять операции непосредственно со страницами памяти и пространствами адресов, вместо операций с буферами. Некоторые из этих операций обсуждаются в главе 15, "Страничный кэш и обратная запись страниц", где также рассматривается структура address_space и демоны pdflush.

Вторая проблема, связанная с заголовками буферов, — это то, что они описывают только один буфер. Когда заголовок буфера используется в качестве контейнера для операций ввода-вывода, то это требует, чтобы ядро разбивало потенциально большую операцию блочного ввода-вывода на множество мелких структур buffer_head, что в свою очередь приводит к ненужным затратам памяти для храпения структур данных. В результате, основной целью при создании серии ядра 2.5 была разработка нового гибкого и быстрого контейнера для операций блочного ввода-вывода. В результат появилась структура bio, которая будет рассмотрена в следующем разделе.

Структура bio

Основным контейнером для операций ввода-вывода в ядре является структура bio, которая определена в файле . Эта структура представляет активные операции блочного ввода-вывода в виде списка сегментов (segment). Сегмент — это участок буфера, который является непрерывным в физической памяти, т.е. отдельные буферы не обязательно должны быть непрерывными в физической памяти. Благодаря тому, что буфер может представляться в виде нескольких участков, структура bio даст возможность выполнять операции блочного ввода-вывода, даже если данные одного буфера хранятся в разных местах памяти. Ниже показана структура bio с комментариями, описывающими назначение каждого поля.

struct bio {

 sector_t            bi_sector; /* соответствующий сектор на диске */

 struct bio          *bi_next;         /* список запросов */

 struct block_device *bi_bdev;  /* соответствующее блочное устройство */

 unsigned long       bi_flags;         /* состояние и флаги команды */

 unsigned long       bi_rw;            /* чтение или запись? */

 unsigned short      bi_vcnt;          /* количество структур bio vec

                                          в массиве bi_io_vec */

 unsigned short      bi_idx;    /* текущий индекс в массиве bi_io_vec */

 unsigned short      bi_phys_segments; /* количество сегментов

                                          после объединения */

 unsigned short      bi_hw_segments;   /* количество сегментов после

                                          перестройки отображения */

 unsigned int        bi_size;          /* объем данных для ввода-вывода */

 unsigned int        bi_hw_front_size; /* размер первого

                                          объединяемого сегмента */

 unsigned int        bi_hw_front_size; /* размер последнего объединяемого

                                          сегмента */

 unsigned int        bi_max_vecs;      /* максимально возможное количество

                                          структур bio_vecs */