Xv6文件系统（一）：缓存层

阅读材料

• Xv6代码：buf.h、bio.c
• Xv6教材第8章 8.1-8.3节

缓存层作用

缓存层，也就是教材中的Buffer cache layer，是Xv6整个文件系统中最低一层，该层直接读、写磁盘的数据。该层在整个文件系统的作用如下：

1. 同步对磁盘块的访问，以确保内存中只有一个块的副本，并且一次只有一个内核线程使用该副本
2. 为了减少从磁盘读块，缓存常用的块

Buffer cache数据结构

缓存层用一个循环双向链表实现的LRU来管理struct buf，总共有NBUF（定义在param.h）个struct buf

其中，头节点是dummy节点，并不真实存储数据

struct
{struct spinlock lock;struct buf buf[NBUF];struct buf head;
} bcache;

struct buf的结构如下

struct buf
{int valid; // has data been read from disk?int disk;  // does disk "own" buf?uint dev;uint blockno;struct sleeplock lock;uint refcnt;struct buf *prev; // LRU cache liststruct buf *next;uchar data[BSIZE];
};

缓存层接口

binit()函数

该函数是Xv6内核初始化时，文件系统模块第一个调用的函数，是整个文件系统的根基

该函数首先初始化bcache的自选锁，然后遍历所有buf，初始化每个buf的睡眠锁，并插入到双向链表中

void binit(void)
{struct buf *b;initlock(&bcache.lock, "bcache");// Create linked list of buffersbcache.head.prev = &bcache.head;bcache.head.next = &bcache.head;for (b = bcache.buf; b < bcache.buf + NBUF; b++){b->next = bcache.head.next;b->prev = &bcache.head;initsleeplock(&b->lock, "buffer");bcache.head.next->prev = b;bcache.head.next = b;}
}

bread()函数

该函数返回指定块号的副本，通过调用bget函数得到该块。如果该块还未被缓存到内存，则调用virtio_disk_rw函数从磁盘中读取。virtio_disk_rw函数（定义在virtio_disk.c）是Xv6虚拟磁盘驱动提供的唯一接口，用来对虚拟磁盘进行读/写操作

struct buf* bread(uint dev, uint blockno)
{struct buf* b;b = bget(dev, blockno);if (!b->valid){virtio_disk_rw(b, 0);b->valid = 1;}return b;
}

bget函数用于遍历整个链表，寻找合适的缓存块

注意：这里其实依赖blockno和refcnt被隐式初始化为0的事实，不然会有bug

static struct buf * bget(uint dev, uint blockno)
{struct buf *b;acquire(&bcache.lock);// Is the block already cached?for (b = bcache.head.next; b != &bcache.head; b = b->next){if (b->dev == dev && b->blockno == blockno){b->refcnt++;release(&bcache.lock);acquiresleep(&b->lock);return b;}}// Not cached.// Recycle the least recently used (LRU) unused buffer.for (b = bcache.head.prev; b != &bcache.head; b = b->prev){if (b->refcnt == 0){b->dev = dev;b->blockno = blockno;b->valid = 0;b->refcnt = 1;release(&bcache.lock);acquiresleep(&b->lock);return b;}}panic("bget: no buffers");
}

 bwrite()函数

void bwrite(struct buf *b)
{if (!holdingsleep(&b->lock))panic("bwrite");virtio_disk_rw(b, 1);
}