Операционная система UNIX - Робачевский Андрей Михайлович

Буферный кэш

Во введении отмечалось, что работа файловой подсистемы тесно связана с обменом данными с периферийными устройствами. Для обычных файлов и каталогов — это устройство, на котором размещается соответствующая файловая система, для специальных файлов устройств — это принтер, терминал, или сетевой адаптер. Не вдаваясь в подробности подсистемы ввода/вывода, рассмотрим, как во многих версиях UNIX организован обмен данными с дисковыми устройствами — традиционным местом хранения подавляющего большинства файлов[48].

Не секрет, что операции дискового ввода/вывода являются медленными по сравнению, например, с доступом к оперативной или сверхоперативной памяти. Время чтения данных с диска и копирования тех же данных в памяти может различаться в несколько тысяч раз. Поскольку основные данные хранятся на дисковых накопителях, дисковый ввод/вывод является узким местом операционной системы. Для повышения производительности дискового ввода/вывода и, соответственно, всей системы в целом, в UNIX используется кэширование дисковых блоков в памяти.

Для этого используется выделенная область оперативной памяти, где кэшируются дисковые блоки файлов, к которым наиболее часто осуществляется доступ. Эта область памяти и связанный с ней процедурный интерфейс носят название буферного кэша, и через него проходит большинство операций файлового ввода/вывода. Схема взаимодействия различных подсистем ядра с буферным кэшем приведена на рис. 4.13.

Рис. 4.13. Роль буферного кэша

Внутренняя структура буферного кэша

Буферный кэш состоит из буферов данных, размер которых достаточен для размещения одного дискового блока. С каждым блоком данных связан заголовок буфера, представленный структурой buf, с помощью которого ядро производит управление кэшем, включая идентификацию и поиск буферов, а также синхронизацию доступа. Заголовок также используется при обмене данными с драйвером устройства для выполнения фактической операции ввода/вывода. Когда возникает необходимость чтения или записи буфера на диск, ядро заносит параметры операции ввода/вывода в заголовок и передает его функции драйвера устройства. После завершения операции ввода/вывода заголовок содержит информацию о ее результатах.

Основные поля структуры buf приведены в табл. 4.9.

Таблица 4.9. Поля структуры buf

Поле Описание b_flags Флаги. Определяют состояние буфера в каждый момент времени (например, B_BUSY — буфер занят или B_DONE — закончена операция ввода/вывода с буфером) и направление передачи данных (B_READ, B_WRITE, B_PHYS) av_forw, av_back Указатели двухсвязного рабочего списка буферов, ожидающих обработки драйвером b_bcount Число байтов, которое требуется передать b_un.b_addr Виртуальный адрес буфера b_blkno Номер блока начала данных на устройстве b_dev Старший и младший номера устройства

Поле b_flags хранит различные флаги связанного с заголовком буфера. Часть флагов используется буферным кэшем, а часть — драйвером устройства. Например, с помощью флага B_BUSY осуществляется синхронизация доступа к буферу. Флаг B_DELWRI отмечает буфер как модифицированный, или "грязный", требующий сохранения на диске перед повторным использованием. Флаги B_READ, B_WRITE, B_ASYNC, B_DONE и B_ERROR используются драйвером диска. Более подробно операция ввода/вывода для драйвера будет рассмотрена в следующей главе.

Буферный кэш использует механизм отложенной записи (write-behind), при котором модификация буфера не вызывает немедленной записи на диск. Такие буферы отмечаются как "грязные", а синхронизация их содержимого с дисковыми данными происходит через определенные промежутки времени. Примерно одна треть операций дискового ввода/вывода приходится на запись, причем один и тот же буфер может на протяжении ограниченного промежутка времени модифицироваться несколько раз. Поэтому буферный кэш позволяет значительно уменьшить интенсивность записи на диск[49] и реорганизовать последовательность записи отдельных буферов для повышения производительности ввода/вывода (например, уменьшая время поиска, группируя запись соседних дисковых блоков). Однако этот механизм имеет свои недостатки, поскольку может привести к нарушению целостности файловой системы в случае неожиданного останова или сбоя операционной системы.

Операции ввода/вывода

На рис. 4.14 представлена схема выполнения операций ввода/вывода с использованием буферного кэша. Важной особенностью этой подсистемы является то, что она обеспечивает независимое выполнение операций чтения или записи данных процессом как результат соответствующих системных вызовов, а также фактический обмен данными с периферийным устройством.

Рис. 4.14. Схема работы буферного кэша

Когда процессу требуется прочитать или записать данные он использует системные вызовы read(2) или write(2), направляя тем самым запрос файловой подсистеме. В свою очередь файловая подсистема транслирует этот запрос в запрос на чтение или запись соответствующих дисковых блоков файла и направляет его в буферный кэш. Прежде всего кэш просматривается на предмет наличия требуемого блока в памяти. Если соответствующий буфер найден, его содержимое копируется в адресное пространство процесса в случае чтения и наоборот при записи, и операция завершается. Если блок в кэше не найден, ядро размещает буфер, связывает его с дисковым блоком с помощью заголовка buf и направляет запрос на чтение драйверу устройства. Обычно используется схема чтения вперед (read-ahead), когда считываются не только запрашиваемые блоки, но и блоки, которые с высокой вероятностью могут потребоваться в ближайшее время (рис. 4.14, а). Таким образом, последующие вызовы read(2) скорее всего не потребуют дискового ввода/вывода, а будут включать лишь копирование данных из буферов в память процесса, — операция, которая, как отмечалось, обладает на несколько порядков большей производительностью (рис. 4.14, б–в). При запросе на модификацию блока изменения также затрагивают только буфер кэша. При этом ядро помечает буфер как "грязный" в заголовке buf (рис. 4.14, г). Перед освобождением такого буфера для повторного использования, его содержимое должно быть предварительно сохранено на диске (рис. 4.14, д).