概述

本文主要闡述內(nèi)核(linux-3.12)的文件系統(tǒng)預讀設計和實現(xiàn)。

所謂預讀，是指文件系統(tǒng)為應用程序一次讀出比預期更多的文件內(nèi)容并緩存在page cache中，這樣下一次讀請求到來時部分頁面直接從page cache讀取即可。當然，這個細節(jié)對應用程序透明，應用程序可能的感覺就是下次讀的速度會更快，當然這是好事。文中我們會通過設置幾個情境（順序讀、隨機讀、多線程交織讀）來分析預讀的邏輯。

情境1：順序讀

//?事例代碼
{
????...
????f???=?open("file",?....);
????ret?=?read(f,?buf,?4096);
????ret?=?read(f,?buf,?2?*?4096);
????ret?=?read(f,?buf,?4?*?4096);
????...
}

該場景非常簡單：打開文件，共進行三次讀（且是順序讀），那讓我們看看操作系統(tǒng)是如何對文件進行預讀的。

Read 1

第一次進入內(nèi)核讀處理流程時，在page cache中查找該offset對應的頁面是否緩存，因為首次讀，緩存未命中，觸發(fā)一次同步預讀：

static?void?do_generic_file_read(struct?
????file?*filp,?loff_t?*ppos,
????read_descriptor_t?*desc,?
????read_actor_t?actor)?
{
????......
????for?(;;)?{
????????......
????????cond_resched();
find_page:
????????//?如果沒有找到，啟動同步預讀
????????page?=?find_get_page(mapping,?index);
????????if?(!page)?{
????????????page_cache_sync_readahead(
????????????????mapping,?ra,?filp,
?????????????????index,?
?????????????????last_index?-?index
?????????????);

?

?

該同步預讀邏輯最終進入如下預讀邏輯：

?

?

//?注意:?這里offset?和req_size其實是頁面數(shù)量
static?unsigned?long?ondemand_readahead(
????struct?address_space?*mapping,?
????struct?file_ra_state?*ra,?
????struct?file?*filp,?
????bool?hit_readahead_marker,
????pgoff_t?offset,
????unsigned?long?req_size)
{
????unsigned?long?max?=?
????????max_sane_readahead(ra->ra_pages);
????//?第一次讀文件，直接初始化預讀窗口即可
????if?(!offset)
????????goto?initial_readahead;
????????......

initial_readahead:
????ra->start?=?offset;
????ra->size?=?get_init_ra_size(req_size,?max);
????//?ra->size?一定是>=?req_size的，這個由get_init_ra_size保證
????//?如果req_size?>=?max,那么ra->async_size?=?ra_size
????ra->async_size?=?ra->size?>?req_size???ra->size?-?req_size?:?ra->size;

readit:
????/*
?????*?Will?this?read?hit?the?readahead?marker?made?by?itself?
?????*?If?so,?trigger?the?readahead?marker?hit?now,?and?merge
?????*?the?resulted?next?readahead?window?into?the?current?one.
?????*/
????if?(offset?==?ra->start?&&
????????ra->size?==?ra->async_size)?{
????????ra->async_size?=?get_next_ra_size(ra,?max);
????????ra->size?+=?ra->async_size;
????}
????return?ra_submit(ra,?mapping,?filp);
}

讀邏輯會為該文件初始化一個預讀窗口：

(ra->start, ra->size, ra->async_size)

本例中的預讀窗口為(0,4,3)，初始化該預讀窗口后調(diào)用ra_submit提交本次讀請求。形成的讀窗口如下圖所示：

圖中看到，應用程序申請訪問PAGE 0，內(nèi)核一共讀出PAGE0 ~PAGE3，后三個屬于預讀頁面，而且PAGE_1被標記為PAGE_READAHEAD，當觸發(fā)到該頁面讀時，操作系統(tǒng)會進行一次異步預讀，這在后面我們會仔細描述。

等這四個頁面被讀出時，第一次讀的頁面已經(jīng)在pagecache中，應用程序從該page中拷貝出內(nèi)容即可。

Read 2

接下來應用程序進行第二次讀：offset=4096， size=8192。內(nèi)核將其轉化為以page為單位計量，offset=1，size=2。即讀上面的PAGE1和PAGE2。

感謝第一次的預讀，PAGE1和PAGE2目前已經(jīng)在內(nèi)存中了，但由于PAGE1被打上了PAGE_AHEAD標記，讀到該頁面時會觸發(fā)一次異步預讀：

find_page:
????????......
????????page?=?find_get_page(mapping,?index);
????????if?(!page)?{
????????????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);
????????}

static?unsigned?long
ondemand_readahead(
????struct?address_space?*mapping,?
????struct?file_ra_state?*ra,
????struct?file?*filp,
????bool?hit_readahead_marker,
????pgoff_t?offset,
????unsigned?long?req_size)
{
????unsigned?long?max?=?
????max_sane_readahead(ra->ra_pages);

????........
????/*?如果:
?????*?1.?順序讀(本次讀偏移為上次讀偏移?(ra->start)?+?讀大小(ra->size,包含預讀量)?-?
?????*??上次預讀大小(ra->async_size))
?????*?2.?offset?==?(ra->start?+?ra->size)???
?????*/
????if?((offset?==?(ra->start?+?ra->size?-?ra->async_size)?||?
????????offset?==?(ra->start?+?ra->size)))?{
????????//?設置本次讀的offset,以page為單位
????????ra->start?+=?ra->size;?
????????ra->size?=?get_next_ra_size(ra,?max);
????????ra->async_size?=?ra->size;
????????goto?readit;
????}

經(jīng)歷了第一次預讀，文件的預讀窗口狀態(tài)為

(ra->start,ra->size, ra->async_size)=(0, 4, 3)

本次的請求為(offset,size)=(1, 2)，上面代碼的判斷條件成立，因此我們會向前推進預讀窗口，此時預讀窗口變?yōu)?/p>

(ra->start,ra->size, ra->async_size) = (4, 8, 8)

由于本次是異步預讀，應用程序可以不等預讀完成即可返回，只要后臺慢慢讀頁面即可。本次預讀窗口的起始以及大小以及預讀大小可根據(jù)前一次的預讀窗口計算得到，又由于本次是異步預讀，因此，預讀大小就是本次讀的頁面數(shù)量，因此將本次預讀的第一個頁面(PAGE 4)添加預讀標記。

由于上面的兩次順序讀，截至目前，該文件在操作系統(tǒng)中的page cache狀態(tài)如下：

Read 3

接下來應用程序進行第三次讀，順序讀，范圍是[page3, page6]，上面的預讀其實已經(jīng)將這些頁面讀入page cache了，但是由于page4被打上了?PAGE_READAHEAD?標記，因此，訪問到該頁面時會觸發(fā)一次異步預讀，預讀的過程與上面的步驟一致，當前預讀窗口為?(4,8,8)?，滿足順序性訪問特征，根據(jù)特定算法計算本次預讀大小，更新預讀窗口為?(12,16,16)?，新的預讀窗口如下：

對該情境簡單總結下，由于三次的順序讀加上內(nèi)核的預讀行為，文件的page cache中的狀態(tài)當前如下圖所示:

審核編輯：黃飛

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