磁盘块和缓冲块

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作者：邢万里
学校：重庆邮电大学
email：wlxing@yahoo.com
基于内核Linux 0.12源码

磁盘块

术语解释

定义：
磁盘块表示磁盘上存储数据的地方，也就是数据真正存放的地方。即使电脑关机、文件保存等情况发生，磁盘块即是数据最终写入的位置（磁盘块的数据不会丢失，除非意外操作或者磁盘损坏等无法避免的情况）。
磁盘块==盘块==逻辑块==数据块
　a. 数据块，字面意思为存放数据的位置，但是这里（在Linux0.12中表示的只是磁盘中的一部分数据，不包括引导块、超级块、位图和i节点等）为下面第一张图的数据区部分。
　b. 逻辑块，定义为存储在磁盘或者磁带上的数据块（和磁盘块相同）。

存储、关联和读写

MINIX文件系统在磁盘上的真正存放布局：
磁盘块表示图中的数据区部分，在磁盘块前面有8块(1024字节)，分别是引导块、超级块、位图和i节点。第一块盘块在超级块的成员s_firstdatazone表示，其值为8。注意，盘块号是包括前面8块在内计算，计算方式即为：block = nr + s_firstdatazone - 1; block即为盘块号，nr为位图中的索引(见“位图与磁盘关联方式”部分)。
i节点与磁盘块的关联方式：
通过i节点的成员i_zone数组，表示逻辑块的存放方式是由直接块、一次间接块和二次间接块构成。这基本的三部分均表示的是磁盘块，不是缓冲块，其存储的数据是盘块号。通过文件的i节点就能对应到相应的磁盘块号，再对应具体的磁盘块。
位图与磁盘块的关联方式：
通过超级块的成员s_zmap数组，其成员b_data指针指向一块为1024字节的区域。s_zmap数组为struct buffer_head类型，代表的缓冲头部，由该头部进行指引作用，s_zmap的成员b_data指向一个缓冲区，缓冲区的每一位用0或者1表示，每一位依次按照盘块的顺序代表盘块是否正在使用，如果正在使用则表示1，否则为0。位图是缓冲块，顺序从0计数(特殊：s_zmap[0]的第一个位不用)，所以如果对应到磁盘的计算过程即为，nr = block - s_firstdatazone + 1;block即为盘块号，nr即为位图(从0开始计数)的第nr个位置。再次注意：盘块号是从8开始计数(因为有8块在磁盘块前)，而位图是从0开始计数。
磁盘块的读写方式：ll_rw_block()函数。
通过设置该函数的第一个参数为write或read等，判断系统需要读取还是写入数据。
　a. 读取磁盘块过程(bread()函数)：确定磁盘块号block–>获得与block和dev相关的缓冲块bh-->ll_rw_block(READ,bh)。
　b. 写入磁盘块过程(sync_dev()函数)：确定设备号dev–>找到相应的缓冲块bh-->ll_rw_block(WRITE,bh)。
注：
“i节点与磁盘块的关联方式”是磁盘与磁盘的真实存在的关联方式。i节点成员i_zone数组保存的内容是盘块号。
“位图与磁盘块的关联方式”是内存(缓冲块)与磁盘的关联方式。位图保存的内容是逻辑块是否占用。但通过求出某块在位图的偏移地址，再通过公式block = nr + s_firstdatazone - 1即能求出盘块号。由于位图的限制，一个文件最大能表示8 x 8 x 1024 bit为64MB。

缓冲块

术语解释
注：请反复注意词汇“cache是缓存”和“buffer是缓冲”！
1. cache是高速缓存，用于CPU和内存之间的缓存。
2. buffer是I/O缓冲，用于内存和硬盘的缓冲。
3. 英文解释，如下：

“ A buffer is something that has yet to be “written” to disk. A cache is something that has been “read” from the disk and stored for later use. ”

cache缓存是集成于CPU中，是介于CPU与主内存间的一种容量较小但速度很高的存储器。目的是为了打破内存读写速度慢的问题，减少了CPU的等待时间,提高了系统的效率。
buffer缓冲是用于暂时存放数据，不同于磁盘块。当机器关机后，缓冲块数据清除，因此不是数据真正存放的位置。缓冲块占用的是内存，用于保护硬盘或减少网络传输的次数。同时也可以提高速度（不会立即写入硬盘或直接从硬盘中读出的数据马上显示），重复使用，最初最主要的目的是保护磁盘。【注意：和高速缓存(cache)区别！】如下图可知，buffer是物理内存的一部分(而高速缓存是CPU一部分)。
缓冲块头部==缓冲区头部==缓冲头，是指的struct buffer_head结构体，用于指引到具体的缓冲块位置，其结构如下（b_data指向缓冲块）：

struct buffer_head {char * b_data;  /* pointer to data block (1024 bytes) */unsigned long b_blocknr;    /* block number */unsigned short b_dev;       /* device (0 = free) */unsigned char b_uptodate;unsigned char b_dirt;       /* 0-clean,1-dirty */unsigned char b_count;      /* users using this block */unsigned char b_lock;       /* 0 - ok, 1 -locked */struct task_struct * b_wait;struct buffer_head * b_prev;struct buffer_head * b_next;struct buffer_head * b_prev_free;struct buffer_head * b_next_free;
};

布局、关联和检索

高速缓冲区的布局：低端部分是struct buffer_head，弧线箭头是b_data指针，高端部分是具体的缓冲块部分。
空闲缓冲块的关联方式：通过缓冲头的成员b_prev_free和b_next_free指针进行关联，构建双向循环链表，再由缓冲头寻找具体的缓冲块。
缓冲块的关联/检索方式：通过缓冲头的成员b_prev和b_next指针进行关联，构建hash表，再由缓冲头寻找具体的缓冲块。

易混淆函数（block系列）

bitmap.c

free_block()和new_block()均是对磁盘上的数据块进行操作。一个是将磁盘上某块的数据全部失效(指没有人使用它)，一个是将磁盘块新分配(指给特定设备使用)。

buffer.c

getblk()的返回值是返回相应的缓冲块，作用为根据设备号和盘块号获取相应的缓冲块。其参数中的block是盘块号。

truncate.c

free_ind()、free_dind()和truncate()函数均是对磁盘上数据操作，即为磁盘块。truncate()函数根据i节点的成员i_zone，找到对应的缓冲块头部，通过头部的成员b_data找到对应的缓冲块(其中是以0/1表示的位图)，继而根据位图对磁盘上相应的磁盘块进行截断，截断文件后的长度为0，意味着该文件的数据全部失效。

技巧

关注参数名称是否为block，如果是，则参数为磁盘块号。
关注函数返回值是否是struct buffer_head，如果是则函数作用是寻找一个缓冲块。
一般寻找或者释放缓冲块都是需要由dev设备号和block盘块号进行定位。
（注）只要记住这3条原则，就不会混淆了。

参考

Linux内核完全剖析（基于0.12内核）赵炯–>第12章节。
buffer与cache之间的区别：http://blog.chinaunix.net/uid-24020646-id-2939696.html。

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