快捷導(dǎo)航

詳解Linux文件中的數(shù)據(jù)是如何被寫進(jìn)磁盤

更新時(shí)間：2024年05月15日 09:51:43 作者：春人.

Linux 中,我們的每一個(gè)進(jìn)程,打開的每一個(gè)文件都要有自己的 struct inode 對(duì)象和自己的文件頁緩沖區(qū)（就是所謂的內(nèi)核緩沖區(qū)）,本文我們給大家介紹了Linux文件中的數(shù)據(jù)是如何被寫進(jìn)磁盤,需要的朋友可以參考下

一、操作系統(tǒng)對(duì)物理內(nèi)存的管理

1.1 物理內(nèi)存與磁盤的數(shù)據(jù)交換

物理內(nèi)存與磁盤之間的數(shù)據(jù)交換一般是以 4KB（大小可改）為單位進(jìn)行的，其中物理內(nèi)存中一個(gè) 4KB 大小的空間叫做頁框，填入 4KB 內(nèi)存中的內(nèi)容叫做頁幀。樣做的好處有以下幾點(diǎn)：

減少 I/O 的次數(shù)，即減少 CPU 訪問外設(shè)的次數(shù)以提高效率。一次訪問 4KB 和分四次訪問 1KB 相比，前者效率更高，因?yàn)榍罢?nbsp;CPU 只和磁盤只打了一次交道，磁頭和盤面只需要進(jìn)行一次定位就可以讀取出 4KB 的內(nèi)容，而后者 CPU 和磁盤要打四次交到，并且這四次可能并不連續(xù)，意味著磁頭和盤面要定位四次，大量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)就伴隨著效率的下降。
基于局部性原理的預(yù)加載機(jī)制。即使當(dāng)前 CPU 只需要訪問100字節(jié)的內(nèi)容，但操作系統(tǒng)和磁盤之間還是以 4KB 為單位將數(shù)據(jù)加載進(jìn)來，一般認(rèn)為，CPU 在訪問當(dāng)前磁盤中的代碼和數(shù)據(jù)的時(shí)候，接下來有較大的可能性去訪問附近空間的代碼和數(shù)據(jù)。

小Tips：4KB 是科學(xué)家經(jīng)過大量實(shí)現(xiàn)確定出來的一個(gè)較為合理的值。一個(gè)文件如果占用了多個(gè)數(shù)據(jù)塊，那么只有最后一個(gè)數(shù)據(jù)塊可能存在沒用完浪費(fèi)的情況。一個(gè)數(shù)據(jù)塊只能被一個(gè)文件使用。加入有兩個(gè)只有幾個(gè)比特的小文件，那么會(huì)為他們倆一人分配一個(gè)數(shù)據(jù)塊，他們兩個(gè)不可能共享同一個(gè)數(shù)據(jù)塊。

1.2 操作系統(tǒng)對(duì)物理內(nèi)存的管理

首先操作系統(tǒng)一定是可以看到物理內(nèi)存的。對(duì)物理內(nèi)存的管理還是逃不脫先描述再組織，在內(nèi)核中有一個(gè) struct page 的結(jié)構(gòu)體就是用來描述物理內(nèi)存的，一個(gè) struct page 對(duì)象就對(duì)應(yīng)一個(gè) 4KB 的內(nèi)存空間，該結(jié)構(gòu)體里面記錄了當(dāng)前 4KB 的一些屬性信息，例如：當(dāng)前頁框的狀態(tài)，當(dāng)前頁框的引用計(jì)數(shù)等。操作系統(tǒng)將物理內(nèi)存劃分成一個(gè)個(gè)的 struct page 對(duì)象，然后用數(shù)組的形式組織起來，數(shù)組的下標(biāo)就是對(duì)應(yīng)的頁號(hào)。隨便給一個(gè)物理地址（一般一個(gè)物理地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)）求它所在的頁號(hào)，就是用該物理地址除以（4KB*1024 = 4096字節(jié)）即可，也就是用該地址按位與上 0XFFFFF000，將低12位清零，就是該地址所在的頁號(hào)。所有申請(qǐng)內(nèi)存的動(dòng)作都是在訪問內(nèi)存 page 數(shù)組，查看 struct page 里面的 flags 屬性，通過 flags 屬性判斷當(dāng)前頁框的狀態(tài)，得知該頁框是否被使用，沒被使用就去修改 flags，表示該頁框已被申請(qǐng)。flags c除了可以表示當(dāng)前頁框是否被使用外，還可以用來表示該頁框是只讀的還是讀寫等狀態(tài)。這里所說的操作系統(tǒng)對(duì)物理內(nèi)存的管理只是一個(gè)雛形，真正的內(nèi)存管理系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，像伙伴系統(tǒng)算法、slab 分派器等。

二、再來看文件打開和寫入

2.1 文件頁緩沖區(qū)的引入

struct file 是內(nèi)核中的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來描述一個(gè)打開的文件。而 inode 是在介紹磁盤時(shí)引入的，磁盤上的一個(gè)文件對(duì)應(yīng)一個(gè) inode，它表示該文件的屬性。struct file 和 inode 之間的關(guān)系是，struct file 中只記錄了文件的少量屬性，因此在內(nèi)核中還有一個(gè) struct inode 結(jié)構(gòu)體專門用來記錄一個(gè)文件的所有屬性。在 struct file 中有一個(gè)指針字段指向該文件的 struct inode 對(duì)象。

而文件是包括內(nèi)容加屬性的，在磁盤上文件的屬性用 inode 來存儲(chǔ)，文件的內(nèi)容用 block 來存儲(chǔ)，上面說過在內(nèi)核中用 struct inode 來存儲(chǔ)文件屬性，那一個(gè)文件的內(nèi)容（數(shù)據(jù)）在內(nèi)核中該如何表示呢？答案是采用文件頁緩沖區(qū)。在 struct file 結(jié)構(gòu)中有一個(gè) struct address_space 字段的指針，該結(jié)構(gòu)體里面有一個(gè) struct radix_tree_root 結(jié)構(gòu)體對(duì)象，這本質(zhì)上是一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)（基數(shù)數(shù)又或叫字典書），樹中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是 struct radix_tree_node 類型，該類型里面有一個(gè)名為 slots 的 void * 類型的數(shù)組，里面存的其實(shí)就是 struct page 對(duì)象的地址?？偨Y(jié)一下就是在 struct file 結(jié)構(gòu)體中有指向物理內(nèi)存的指針，我們將這些物理內(nèi)存就叫做文件頁緩沖區(qū)。

2.2 向文件中寫入的過程

在調(diào)用 C/C++ 庫函數(shù)向文件中寫入，首先將內(nèi)容寫入到語言層面的用戶緩沖區(qū)，然后再在合適的時(shí)機(jī)將內(nèi)容寫入到該文件對(duì)應(yīng)的文件頁緩沖區(qū)中，最后再在合適的時(shí)機(jī)將內(nèi)容寫入到外設(shè)。將物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)刷新到磁盤是由 I/O 子系統(tǒng)來執(zhí)行，進(jìn)程并不會(huì)關(guān)心，在操作系統(tǒng)中一定會(huì)存在非常多的 I/O 操作，可能會(huì)有很多進(jìn)程都要將數(shù)據(jù)寫入磁盤，操作系統(tǒng)會(huì)將所有的 I/O 操作根據(jù)先描述再組織的形式管理起來。內(nèi)核中的 struct request 結(jié)構(gòu)就是專門用來描述一個(gè) I/O 操作的。為了提高 I/O 的效率，操作系統(tǒng)還會(huì)進(jìn)行 I/O 排序和 I/O 合并，以減少磁頭和盤面的定位次數(shù)。

總結(jié)：Linux 中，我們的每一個(gè)進(jìn)程，打開的每一個(gè)文件都要有自己的 struct inode 對(duì)象和自己的文件頁緩沖區(qū)（就是所謂的內(nèi)核緩沖區(qū)）。