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詳解Linux文件中的數(shù)據(jù)是如何被寫進磁盤

更新時間：2024年05月15日 09:51:43 作者：春人.

Linux 中,我們的每一個進程,打開的每一個文件都要有自己的 struct inode 對象和自己的文件頁緩沖區(qū)（就是所謂的內(nèi)核緩沖區(qū)）,本文我們給大家介紹了Linux文件中的數(shù)據(jù)是如何被寫進磁盤,需要的朋友可以參考下

一、操作系統(tǒng)對物理內(nèi)存的管理

1.1 物理內(nèi)存與磁盤的數(shù)據(jù)交換

物理內(nèi)存與磁盤之間的數(shù)據(jù)交換一般是以 4KB（大小可改）為單位進行的，其中物理內(nèi)存中一個 4KB 大小的空間叫做頁框，填入 4KB 內(nèi)存中的內(nèi)容叫做頁幀。樣做的好處有以下幾點：

減少 I/O 的次數(shù)，即減少 CPU 訪問外設(shè)的次數(shù)以提高效率。一次訪問 4KB 和分四次訪問 1KB 相比，前者效率更高，因為前者 CPU 只和磁盤只打了一次交道，磁頭和盤面只需要進行一次定位就可以讀取出 4KB 的內(nèi)容，而后者 CPU 和磁盤要打四次交到，并且這四次可能并不連續(xù)，意味著磁頭和盤面要定位四次，大量的機械運動就伴隨著效率的下降。
基于局部性原理的預(yù)加載機制。即使當前 CPU 只需要訪問100字節(jié)的內(nèi)容，但操作系統(tǒng)和磁盤之間還是以 4KB 為單位將數(shù)據(jù)加載進來，一般認為，CPU 在訪問當前磁盤中的代碼和數(shù)據(jù)的時候，接下來有較大的可能性去訪問附近空間的代碼和數(shù)據(jù)。

小Tips：4KB 是科學家經(jīng)過大量實現(xiàn)確定出來的一個較為合理的值。一個文件如果占用了多個數(shù)據(jù)塊，那么只有最后一個數(shù)據(jù)塊可能存在沒用完浪費的情況。一個數(shù)據(jù)塊只能被一個文件使用。加入有兩個只有幾個比特的小文件，那么會為他們倆一人分配一個數(shù)據(jù)塊，他們兩個不可能共享同一個數(shù)據(jù)塊。

1.2 操作系統(tǒng)對物理內(nèi)存的管理

首先操作系統(tǒng)一定是可以看到物理內(nèi)存的。對物理內(nèi)存的管理還是逃不脫先描述再組織，在內(nèi)核中有一個 struct page 的結(jié)構(gòu)體就是用來描述物理內(nèi)存的，一個 struct page 對象就對應(yīng)一個 4KB 的內(nèi)存空間，該結(jié)構(gòu)體里面記錄了當前 4KB 的一些屬性信息，例如：當前頁框的狀態(tài)，當前頁框的引用計數(shù)等。操作系統(tǒng)將物理內(nèi)存劃分成一個個的 struct page 對象，然后用數(shù)組的形式組織起來，數(shù)組的下標就是對應(yīng)的頁號。隨便給一個物理地址（一般一個物理地址對應(yīng)一個字節(jié)）求它所在的頁號，就是用該物理地址除以（4KB*1024 = 4096字節(jié)）即可，也就是用該地址按位與上 0XFFFFF000，將低12位清零，就是該地址所在的頁號。所有申請內(nèi)存的動作都是在訪問內(nèi)存 page 數(shù)組，查看 struct page 里面的 flags 屬性，通過 flags 屬性判斷當前頁框的狀態(tài)，得知該頁框是否被使用，沒被使用就去修改 flags，表示該頁框已被申請。flags c除了可以表示當前頁框是否被使用外，還可以用來表示該頁框是只讀的還是讀寫等狀態(tài)。這里所說的操作系統(tǒng)對物理內(nèi)存的管理只是一個雛形，真正的內(nèi)存管理系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，像伙伴系統(tǒng)算法、slab 分派器等。

二、再來看文件打開和寫入

2.1 文件頁緩沖區(qū)的引入

struct file 是內(nèi)核中的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來描述一個打開的文件。而 inode 是在介紹磁盤時引入的，磁盤上的一個文件對應(yīng)一個 inode，它表示該文件的屬性。struct file 和 inode 之間的關(guān)系是，struct file 中只記錄了文件的少量屬性，因此在內(nèi)核中還有一個 struct inode 結(jié)構(gòu)體專門用來記錄一個文件的所有屬性。在 struct file 中有一個指針字段指向該文件的 struct inode 對象。

而文件是包括內(nèi)容加屬性的，在磁盤上文件的屬性用 inode 來存儲，文件的內(nèi)容用 block 來存儲，上面說過在內(nèi)核中用 struct inode 來存儲文件屬性，那一個文件的內(nèi)容（數(shù)據(jù)）在內(nèi)核中該如何表示呢？答案是采用文件頁緩沖區(qū)。在 struct file 結(jié)構(gòu)中有一個 struct address_space 字段的指針，該結(jié)構(gòu)體里面有一個 struct radix_tree_root 結(jié)構(gòu)體對象，這本質(zhì)上是一個樹狀結(jié)構(gòu)（基數(shù)數(shù)又或叫字典書），樹中的每個節(jié)點都是 struct radix_tree_node 類型，該類型里面有一個名為 slots 的 void * 類型的數(shù)組，里面存的其實就是 struct page 對象的地址?？偨Y(jié)一下就是在 struct file 結(jié)構(gòu)體中有指向物理內(nèi)存的指針，我們將這些物理內(nèi)存就叫做文件頁緩沖區(qū)。

2.2 向文件中寫入的過程

在調(diào)用 C/C++ 庫函數(shù)向文件中寫入，首先將內(nèi)容寫入到語言層面的用戶緩沖區(qū)，然后再在合適的時機將內(nèi)容寫入到該文件對應(yīng)的文件頁緩沖區(qū)中，最后再在合適的時機將內(nèi)容寫入到外設(shè)。將物理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)刷新到磁盤是由 I/O 子系統(tǒng)來執(zhí)行，進程并不會關(guān)心，在操作系統(tǒng)中一定會存在非常多的 I/O 操作，可能會有很多進程都要將數(shù)據(jù)寫入磁盤，操作系統(tǒng)會將所有的 I/O 操作根據(jù)先描述再組織的形式管理起來。內(nèi)核中的 struct request 結(jié)構(gòu)就是專門用來描述一個 I/O 操作的。為了提高 I/O 的效率，操作系統(tǒng)還會進行 I/O 排序和 I/O 合并，以減少磁頭和盤面的定位次數(shù)。

總結(jié)：Linux 中，我們的每一個進程，打開的每一個文件都要有自己的 struct inode 對象和自己的文件頁緩沖區(qū)（就是所謂的內(nèi)核緩沖區(qū)）。