writeback机制模型
 
在Linux-3.2新内核中,page cache和buffer cache的刷新机制发生了改变。放弃了原有的pdflush机制,改成了bdi_writeback机制。这种变化主要解决原有pdflush机制存在的一个问题:在多磁盘的系统中,pdflush管理了所有磁盘的page/buffer cache,从而导致一定程度的IO性能瓶颈。bdi_writeback机制为每个磁盘都创建一个线程,专门负责这个磁盘的page cache或者buffer cache的数据刷新工作,从而实现了每个磁盘的数据刷新程序在线程级的分离,这种处理可以提高IO性能。
 
writeback机制的基本原理可以描述如下:
 

 

在Linux内核中有一个常驻内存的线程bdi_forker_thread,该线程负责为bdi_object创建writeback线程,同时检测如果writeback线程长时间处于空闲状态,bdi_forker_thread线程便会将其进行销毁。bdi_forker_thread在系统中只有一个,其会被定时唤醒,检查全局链表bdi_list队列中是否存在dirty的数据需要刷新到磁盘。如果存在dirty数据并且对应bdi的writeback线程还没有被创建,bdi_forker_thread会为该bdi创建一个writeback的线程进行写回操作。
 
writeback线程被创建之后会处理等待的work。writeback线程拥有一个定时器会周期性唤醒这个线程处理相应的work。当用户(page cache/buffer cache)有需要处理的inode时,将inode挂载到writeback-> b_dirty链表中,然后唤醒writeback线程去处理相应的dirty_page。inode链表就是writeback线程需要处理的数据;work链表就是控制处理过程中的一些策略,不同的策略可以定义成不同的任务。
 
通过上述模型,对于块设备或者文件系统而言,实现dirty page的后台刷新主要做如下几个方面的工作:
 
1,将自己的bdi注册到系统的bdi链表中,通过bdi_forker_thread实现对bdi对象的管理,从而可以实现writeback线程的动态创建、销毁。每个块设备和文件系统都有自己的bdi对象。Ext3文件系统在创建的时候会生成superblock对象,系统会将底层块设备的backing_device关系到这个superblock对象上(在set_bdev_super函数中完成)。如果是块设备的话,在add_disk的时候直接从request_queue中得到bdi对象,然后对其进行初始化。注册bdi对象使用bdi_register_dev函数,对于ext3之类的文件系统不需要重新注册bdi对象,因为其本身就采用了底层块设备的bdi对象。
 
2,将需要刷新的inode节点挂载到bdi对象所属的writeback->b_dirty上,如果有特殊的work需要writeback线程完成,那么提交一个work即可;如果是通常的周期性刷新,writeback线程会自动创建相应的work。
 
3,操作writeback的唤醒定时器延迟唤醒writeback线程,或者直接唤醒线程,从而使得inode中radix tree上的dirty page刷新到磁盘。
 
bdi对象的注册
 
每个块设备在创建的时候会注册bdi对象(参见add_disk函数),这是Linux-3.2内核不同的地方。文件系统在mount的时候会创建superblock对象,并且通过底层块设备的request queue获取bdi对象(mount_bdev->sget->set_bdev_super)。所以,像ext3之类的文件系统都不需要重新注册bdi对象。当然,如果文件系统重新创建了一个bdi对象,那么还需要调用bdi_register_dev函数注册bdi对象。
 
小结
 
本文对linux-3.2中的writeback机制模型进行了阐述,后面还会对writeback机制中的关键函数进行分析说明。该机制是对老系统(Linux-2.6.23等)中pdflush机制的替代,其最重要的变化是每个块设备都分配了writeback线程,使得回写的IO流在各个磁盘之间独立,从而从机制上提高了IO的吞吐量。