LINUX下程式開啟的檔案怎麼和底層磁碟關聯的？

Alan發表於2019-05-10
Linux

一直有個疑惑，檔案是放在磁碟中的，但是操作檔案卻是在記憶體中，這兩者是怎麼關聯的呢，雖然至今還沒有找到更詳細的答案，但是對linux底層資料結構進行梳理後，發現了其中的一些線索，與大家分享。

一、相關的linux資料結構

1. fd

在程式語言裡面，開啟一個檔案一般的操作需要建立一個檔案描述符fd：

int fd = open(...);

fd是一個int型，其實是一個陣列的下標，前三個0，1，2被輸入，輸出，錯誤佔用了

新建新的fd的時候，首先分配一個file物件，然後放到陣列裡面，返回這個陣列的下標，就是fd了

2. file

struct file{
    file_operations *fop;
    path *f_path;
    loff_t f_pos;
}

file結構中有一個f_path指標，指向path結構，其中f_pos還儲存了檔案的位置

3. path

struct path{
    dentry *dentry
    ...
}

path連線著一個dentry結構

4. dentry

struct dentry{
    inode *d_inode;
    ...
}

dentry結構連線著inode結構

5. inode

struct inode{
    address_space *i_mapping;
    address_space *i_data;
}

inode結構連線著address_space結構

6. address_space

struct address_space{
    radix_tree_root page_tree;
}

page_tree是一個基樹，節點中存放著page節點，page就是系統中的頁，所以address_space連線著page結構。

7. page

struct page{
    void *private;
}

private指向buffer_head

8. buffer_head

struct buffer_head{
    sector_t block_nr; // 邏輯塊號
    block_device *b_bdev; // 磁碟裝置號
}

block_nr存放的資料的邏輯塊號，通過邏輯塊號，就可以和磁碟關聯起來了。

9. bio

struct bio{
    bio_vec        *bi_io_vec; // 連結串列
    sector_t    bi_sector; // 磁碟上相關的扇區
    struct block_device *bi_bdev; // 相關的塊裝置
}

一個bio連線著n個bio_vec結構，用於表示page中內容的位置

10. bio_vec

struct bio_vec{
    page *bv_page; // 指向包含的頁
    int bv_len; // 長度
    int bv_offset; //頁中的偏移
}

11. task_struct

struct task_struct{
    struct bio *bio_list; // 指向bio的連結串列頭
}

二、讀寫操作

file中的file_operations是一個操作結構，裡面包含對檔案的read，write等操作，所有對檔案的操作，都會轉移到該檔案file->f_op->read/write等操作。

三、記憶體到磁碟的路徑

linux2.6之後，使用了bio的結構來描述IO操作，由於效率的原因，所以buffer_head使用場景變少了，用bio結構描述一個讀/寫操作，然後使用IO排程演算法進行排程。

通過以上結構體，可以得出一條線索：

fd->file->path->dentry->inode->address_space->page->buffer_head->磁碟塊號

或者

task_struct->bio->磁碟塊號

磁碟的IO操作都是非同步的，會通過特定的條件觸發把內容從記憶體重新整理到磁碟。

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