《Linux内核设计的艺术:图解Linux操作系统架构设计与实现原理》——2.10 初始化缓冲区管理结构-阿里云开发者社区

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《Linux内核设计的艺术:图解Linux操作系统架构设计与实现原理》——2.10 初始化缓冲区管理结构

简介: 本节书摘来自华章计算机《Linux内核设计的艺术:图解Linux操作系统架构设计与实现原理》一书中的第2章,第2.10节,作者:新设计团队著, 更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

2.10 初始化缓冲区管理结构

缓冲区是内存与外设(如硬盘,以后以硬盘为例)进行数据交互的媒介。内存与硬盘最大的区别在于,硬盘的作用仅仅是对数据信息以很低的成本做大量数据的断电保存,并不参与运算(因为CPU无法到硬盘上进行寻址),而内存除了需要对数据进行保存以外,更重要的是要与CPU、总线配合进行数据运算。缓冲区则介于两者之间,它既对数据信息进行保存,也能够参与一些像查找、组织之类的间接、辅助性运算。有了缓冲区这个媒介以后,对外设而言,它仅需要考虑与缓冲区进行数据交互是否符合要求,而不需要考虑内存如何使用这些交互的数据;对内存而言,它也仅需要考虑与缓冲区交互的条件是否成熟,而不需要关心此时外设对缓冲区的交互情况。两者的组织、管理和协调将由操作系统统一操作。
操作系统通过hash_table[NR_HASH]、buffer_head双向环链表组成的复杂的哈希表管理缓冲区。
操作系统通过调用buffer_init()函数对缓冲区进行设置,执行代码如下:

//代码路径:init/main.c:
void main(void)
{
    …
    buffer_init(buffer_memory_end);
    …
}

在buffer_init()函数里,从内核的末端及缓冲区的末端同时开始,方向相对增长、配对地做出buffer_head、缓冲块,直到不足一对buffer_head、缓冲块。在第2章开始时设定的内存格局下,有3000多对buffer_head、缓冲块,buffer_head在低地址端,缓冲块在高地址端。
将buffer_head的成员设备号b_dev、引用次数b_count、“更新”标志b_uptodate、“脏”标志b_dirt、“锁定”标志b_lock设置为0。如图2-24所示,将b_data指针指向对应的缓冲块。利用buffer_head的b_prev_free、b_next_free,将所有的buffer_head形成双向链表。使free_list指向第一个buffer_head,并利用free_list将buffer_head形成双向链表链接成双向环链表,如图2-25所示。
注意图2-26顶部所示的内存的变化。在紧靠系统内核的部分,多出了一块用黑色表示的内存区域,那里面存储的就是缓冲区管理结构。由于它管理着3000多个缓冲块,因此它占用的内存空间的大小,与内核几乎差不多。图2-26中也对空闲表的双向链表结构给出了形象的说明。

image

最后,对hash_table[307]进行设置,将hash_table[307]的所有项全部设置为NULL,如图2-26第二步所示。

image

对应的代码如下:

//代码路径:fs/buffer.c:
    …
struct buffer_head * start_buffer= (struct buffer_head *) &end;
struct buffer_head * hash_table[NR_HASH];
static struct buffer_head * free_list;
    …
void buffer_init(long buffer_end)
{
    struct buffer_head * h= start_buffer;
    void * b;
    int i;

    if (buffer_end== 1<<20)
         b= (void *) (640*1024);
    else
         b= (void *) buffer_end;

//h、b分别从缓冲区的低地址端和高地址端开始,每次对进buffer_head、缓冲块各一个
//忽略剩余不足一对buffer_head、缓冲块的空间
    while ( (b -= BLOCK_SIZE) >= ((void *) (h + 1)) ) {
         h->b_dev= 0;
         h->b_dirt= 0;
         h->b_count= 0;
         h->b_lock= 0;
         h->b_uptodate= 0;
         h->b_wait= NULL;
         h->b_next= NULL;        //这两项初始化为空,后续的使用将与hash_table挂接
         h->b_prev= NULL;
         h->b_data= (char *) b;    //每个buffer_head关联一个缓冲块
         h->b_prev_free= h-1;    //这两项使buffer_head分别与前、
         h->b_next_free= h + 1;    // 后buffer_head挂接,形成双向链表
         h++;
         NR_BUFFERS++;
         if (b== (void *) 0x100000)    //避开ROMBIOS&VGA
               b= (void *) 0xA0000;
    }
    h--;
    free_list= start_buffer;        // free_list指向第一个buffer_head
    free_list->b_prev_free= h;        //使buffer_head双向链表
    h->b_next_free= free_list;        //形成双向环链表
    for (i=0;i<NR_HASH;i++)        //清空hash_table[307]
         hash_table[i]=NULL;
}

注意看代码中struct buffer_head * h = start_buffer这一行。这一行中的start_buffer确定了缓冲区的起始位置,这也就回答了2.2节中关于缓冲区起始点位置的这个问题。它是在buffer.c中定义的:

struct buffer_head * start_buffer= (s truct buffer_head *) &end;

这个end就是内核代码末端的地址。在代码编写阶段,设计者事先较难准确估算这个地址,于是就在内核模块链接期间设置end这个值,然后在这里使用。

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