讀取硬盤(pán)數(shù)據(jù)到內(nèi)存中，是操作系統(tǒng)的一個(gè)基礎(chǔ)功能。
讀取硬盤(pán)需要有塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而以文件的方式來(lái)讀取則還有要再上面包一層文件系統(tǒng)。
把讀出來(lái)的數(shù)據(jù)放到內(nèi)存，就涉及到內(nèi)存中緩沖區(qū)的管理。
上面說(shuō)的每一件事，都是一個(gè)十分龐大的體系，我們今天的文章一個(gè)都不展開(kāi)講，哈哈。
我們就講講，讀取塊設(shè)備與內(nèi)存緩沖區(qū)之間的橋梁，塊設(shè)備請(qǐng)求項(xiàng)的初始化工作。
我們以 Linux 0.11 源碼為例，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入內(nèi)核的 main 函數(shù)后不久，有這樣一行代碼。
- void main(void) {
- ...
- blk_dev_init();
- ...
- }
看到這個(gè)方法的全部代碼后，你可能會(huì)會(huì)心一笑，也可能一臉懵逼。
- void blk_dev_init(void) {
- int i;
- for (i=0; i<32; i++) {
- request[i].dev = -1;
- request[i].next = NULL;
- }
- }
這也太簡(jiǎn)單了吧?
就是給 request 這個(gè)數(shù)組的前 32 個(gè)元素的兩個(gè)變量 dev 和 next 附上值，看這倆值 -1 和 NULL 也可以大概猜出，這是沒(méi)有任何作用時(shí)的初始化值。
我們看下 request 結(jié)構(gòu)體。
- /*
- * Ok, this is an expanded form so that we can use the same
- * request for paging requests when that is implemented. In
- * paging, 'bh' is NULL, and 'waiting' is used to wait for
- * read/write completion.
- */
- struct request {
- int dev; /* -1 if no request */
- int cmd; /* READ or WRITE */
- int errors;
- unsigned long sector;
- unsigned long nr_sectors;
- char * buffer;
- struct task_struct * waiting;
- struct buffer_head * bh;
- struct request * next;
- };
注釋也附上了。
哎喲，這就有點(diǎn)頭大了，剛剛的函數(shù)雖然很短，但看到這個(gè)結(jié)構(gòu)體我們知道了，重點(diǎn)在這呢。
這也側(cè)面說(shuō)明了，學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)，其實(shí)把遇到的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)牢記心中，就已經(jīng)成功一半了。比如主內(nèi)存管理結(jié)構(gòu) mem_map，知道它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是什么樣子，其功能也基本就懂了。
收，繼續(xù)說(shuō)這個(gè) request 結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)就代表了一次讀盤(pán)請(qǐng)求，其中：
dev 表示設(shè)備號(hào)，-1 就表示空閑。
cmd 表示命令，其實(shí)就是 READ 還是 WRITE，也就表示本次操作是讀還是寫(xiě)。
errors 表示操作時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤次數(shù)。
sector 表示起始扇區(qū)。
nr_sectors 表示扇區(qū)數(shù)。
buffer 表示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，也就是讀盤(pán)之后的數(shù)據(jù)放在內(nèi)存中的什么位置。
waiting 是個(gè) task_struct 結(jié)構(gòu)，這可以表示一個(gè)進(jìn)程，也就表示是哪個(gè)進(jìn)程發(fā)起了這個(gè)請(qǐng)求。
bh 是緩沖區(qū)頭指針，這個(gè)后面講完緩沖區(qū)就懂了，因?yàn)檫@個(gè) request 是需要與緩沖區(qū)掛鉤的。
next 指向了下一個(gè)請(qǐng)求項(xiàng)。
這里有的變量看不懂沒(méi)關(guān)系。
不過(guò)我們倒是可以基于現(xiàn)有的重點(diǎn)參數(shù)猜測(cè)一下，比如讀請(qǐng)求時(shí)，cmd 就是 READ，sector 和 nr_sectors 這倆就定位了所要讀取的塊設(shè)備(可以簡(jiǎn)單先理解為硬盤(pán))的哪幾個(gè)扇區(qū)，buffer 就定位了這些數(shù)據(jù)讀完之后放在內(nèi)存的什么位置。
這就夠啦，想想看，這四個(gè)參數(shù)是不是就能完整描述了一個(gè)讀取硬盤(pán)的需求了?而且完全沒(méi)有歧義，就像下面這樣。
而其他的參數(shù)，肯定是為了更好地配合操作系統(tǒng)進(jìn)行讀寫(xiě)塊設(shè)備操作嘛，為了把多個(gè)讀寫(xiě)塊設(shè)備請(qǐng)求很好地組織起來(lái)。這個(gè)組織不但要有這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中 hb 和 next 等變量的配合，還要有后面的電梯調(diào)度算法的配合，僅此而已，先點(diǎn)到為止。
總之，我們這里就先明白，這個(gè) request 結(jié)構(gòu)可以完整描述一個(gè)讀盤(pán)操作。然后那個(gè) request 數(shù)組就是把它們都放在一起，并且它們又通過(guò) next 指針串成鏈表。
好，本文講述的兩行代碼，其實(shí)就完成了上圖所示的工作而已。
但講到這就結(jié)束的話(huà)，很多同學(xué)可能會(huì)不太甘心，那我就簡(jiǎn)單展望一下，后面讀盤(pán)的全流程中，是怎么用到剛剛初始化的這個(gè) request[32] 結(jié)構(gòu)的。
讀操作的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)是 sys_read，源代碼很長(zhǎng)，我給簡(jiǎn)化一下，僅僅保留讀取普通文件的分支，就是如下的樣子。
- int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count) {
- struct file * file = current->filp[fd];
- struct m_inode * inode = file->f_inode;
- // 校驗(yàn) buf 區(qū)域的內(nèi)存限制
- verify_area(buf,count);
- // 僅關(guān)注目錄文件或普通文件
- return file_read(inode,file,buf,count);
- }
看，入?yún)?fd 是文件描述符，通過(guò)它可以找到一個(gè)文件的 inode，進(jìn)而找到這個(gè)文件在硬盤(pán)中的位置。
另兩個(gè)入?yún)?buf 就是要復(fù)制到的內(nèi)存中的位置，count 就是要復(fù)制多少個(gè)字節(jié)，很好理解。
鉆到 file_read 函數(shù)里繼續(xù)看。
- int file_read(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count) {
- int left,chars,nr;
- struct buffer_head * bh;
- left = count;
- while (left) {
- if (nr = bmap(inode,(filp->f_pos)/BLOCK_SIZE)) {
- if (!(bh=bread(inode->i_dev,nr)))
- break;
- } else
- bh = NULL;
- nr = filp->f_pos % BLOCK_SIZE;
- chars = MIN( BLOCK_SIZE-nr , left );
- filp->f_pos += chars;
- left -= chars;
- if (bh) {
- char * p = nr + bh->b_data;
- while (chars-->0)
- put_fs_byte(*(p++),buf++);
- brelse(bh);
- } else {
- while (chars-->0)
- put_fs_byte(0,buf++);
- }
- }
- inode->i_atime = CURRENT_TIME;
- return (count-left)?(count-left):-ERROR;
- }
整體看，就是一個(gè) while 循環(huán)，每次讀入一個(gè)塊的數(shù)據(jù)，直到入?yún)⑺蟮拇笮∪孔x完為止。
直接看 bread 那一行。
- int file_read(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count) {
- ...
- while (left) {
- ...
- if (!(bh=bread(inode->i_dev,nr)))
- }
- }
這個(gè)函數(shù)就是去讀某一個(gè)設(shè)備的某一個(gè)數(shù)據(jù)塊號(hào)的內(nèi)容，展開(kāi)進(jìn)去看。
- struct buffer_head * bread(int dev,int block) {
- struct buffer_head * bh = getblk(dev,block);
- if (bh->b_uptodate)
- return bh;
- ll_rw_block(READ,bh);
- wait_on_buffer(bh);
- if (bh->b_uptodate)
- return bh;
- brelse(bh);
- return NULL;
- }
其中 getblk 先申請(qǐng)了一個(gè)內(nèi)存中的緩沖塊，然后 ll_rw_block 負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)讀入這個(gè)緩沖塊，進(jìn)去繼續(xù)看。
- void ll_rw_block(int rw, struct buffer_head * bh) {
- ...
- make_request(major,rw,bh);
- }
- static void make_request(int major,int rw, struct buffer_head * bh) {
- ...
- if (rw == READ)
- req = request+NR_REQUEST;
- else
- req = request+((NR_REQUEST*2)/3);
- /* find an empty request */
- while (--req >= request)
- if (req->dev<0)
- break;
- ...
- /* fill up the request-info, and add it to the queue */
- req->dev = bh->b_dev;
- req->cmd = rw;
- req->errors=0;
- req->sector = bh->b_blocknr<<1;
- req->nr_sectors = 2;
- req->buffer = bh->b_data;
- req->waiting = NULL;
- req->bh = bh;
- req->next = NULL;
- add_request(major+blk_dev,req);
- }
看，這里就用到了剛剛說(shuō)的結(jié)構(gòu)咯。
具體說(shuō)來(lái)，就是該函數(shù)會(huì)往剛剛的設(shè)備的請(qǐng)求項(xiàng)鏈表 request[32] 中添加一個(gè)請(qǐng)求項(xiàng)，只要 request[32] 中有未處理的請(qǐng)求項(xiàng)存在，都會(huì)陸續(xù)地被處理，直到設(shè)備的請(qǐng)求項(xiàng)鏈表是空為止。
具體怎么讀盤(pán)，就是與硬盤(pán) IO 端口進(jìn)行交互的過(guò)程了，可以繼續(xù)往里跟，直到看到一個(gè) hd_out 函數(shù)為止，本講不展開(kāi)了。
具體讀盤(pán)操作，后面會(huì)有詳細(xì)的章節(jié)展開(kāi)講解，本講你只需要知道，我們?cè)?main 函數(shù)的 init 系列函數(shù)中，通過(guò) blk_dev_init 為后面的塊設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)，提前建立了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，作為訪(fǎng)問(wèn)塊設(shè)備和內(nèi)存緩沖區(qū)之間的橋梁，就可以了。
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