unsigned long flags; /* маска gfp_mask
и флаги ошибок */
struct backing_dev_info *backing_dev_info; /* информация
упреждающего чтения */
spinlock_t private_lock; /* блокировка
для частных отображений */
struct list_head private_list; /* список
частных отображений */
struct address_spacs *assoc_mapping; /* соответствующие
буферы */
};
Поле i_mmap — это дерево поиска по приоритетам для всех совместно используемых и частных отображений. Дерево поиска по приоритетам— это хитрая смесь базисных и частично упорядоченных бинарных деревьев[86].
Всего в адресном пространстве nrpages страниц памяти.
Объект address_space связан с некоторым другим объектом ядра, обычно с файловым индексом. Если это так, то поле host указывает на соответствующий файловый индекс. Если значение поля host равно NULL, то соответствующий объект не является файловым индексом; например, объект address_space может быть связан с процессом подкачки страниц (swapper).
Поле a_ops указывает на таблицу операций с адресным пространством так же, как и в случае объектов подсистемы VFS. Таблица операций представлена с помощью структуры struct address_space_operations, которая определена в файле <linux/fs.h> следующим образом.
struct address_space_operations {
int (*writepage)(struct page*, struct writeback_control*);
int (*readpage)(struct file*, struct page*);
int (*sync_page)(struct page*);
int (*writepages)(struct address_space*,
struct writeback_control*);
int (*set_page_dirty)(struct page*);
int (*readpages)(struct file*, struct address_space*,
struct list_head*, unsigned);
int (*prepare_write)(struct file*, struct page*,
unsigned, unsigned);
int (*commit_write)(struct file*, struct page*,
unsigned, unsigned);
sector_t (*bmap)(struct address_space*, sector_t);
int (*invalidatepage)(struct page*, unsigned long);
int (*releasepage)(struct page*, int);
int (*direct_IO)(int, struct kiocb*, const struct iovec*,
loff_t, unsigned long);
};
Методы read_page и write_page являются наиболее важными. Рассмотрим шаги, которые выполняются при страничной операции чтения.
Методу чтения в качестве параметров передается пара значений: объект address_space и смещение. Эти значения используются следующим образом для поиска необходимых данных в страничном кэше.
page = find_get_page(mapping, index);
где параметр mapping — это заданное адресное пространство, a index — заданная позиция в файле.
Если в кэше нет необходимой страницы памяти, то новая страница памяти выделяется и добавляется в кэш следующим образом.
struct page *cached_page;
int error;
cached_page = page_cache_alloc_cold(mapping);
if (!cached_page)
/* ошибка выделения памяти */
error =
add_to_page_cache_lru(cached_page, mapping, index, GFP_KERNEL);
if (error)
/* ошибка добавления страницы памяти в страничный кэш */
Наконец, необходимые данные могут быть считаны с диска, добавлены в страничный кэш и возвращены пользователю. Это делается следующим образом.
error = mapping->a_ops->readpage(file, page);
Операции записи несколько отличаются. Для отображаемых в память файлов при изменении страницы памяти система управления виртуальной памятью просто вызывает следующую функцию.
SetPageDirty(page);
Ядро выполняет запись этой страницы памяти позже с помощью вызова метода writepage(). Операции записи для файлов, открытых обычным образом (без отображения в память), выполняются более сложным путем. В основном, общая операция записи, которая реализована в файле mm/filemap.с, включает следующие шаги.
page =
__grab_cache_page(mapping, index, &cached_page, &lru_pvec);
status =
a_ops->prepare_write(file, page, offset, offset+bytes);
page_fault =
filemap_copy_from_user(page, offset, buf, bytes);
status =
a_ops->commit_write(file, page, offset, offset+bytes);
Выполняется поиск необходимой страницы памяти в кэше. Если такая страница в кэше не найдена, то создается соответствующий элемент кэша. Затем вызывается метод prepare_write(), чтобы подготовить запрос на запись. После этого данные копируются из пространства пользователя в буфер памяти в пространстве ядра. И наконец данные записываются на диск с помощью функции commit_write().
Поскольку все описанные шаги выполняются при всех операциях страничного ввода-вывода, то все операции страничного ввода-вывода выполняются только через страничный каш. Ядро пытается выполнить все запросы чтения из страничного кэша. Если этого сделать не удается, то страница считывается с диска и добавляется в страничный кэш. Для операций записи страничный кэш выполняет роль "стартовой площадки". Следовательно, все записанные страницы также добавляются в страничный кэш.
Базисное дерево
Так как ядро должно проверять наличие страниц в страничном кэше перед тем, как запускать любую операцию страничного ввода-вывода, то этот поиск должен выполняться быстро. В противном случае затраты на поиск могут свести на нет все выгоды кэширования (по крайней мере, в случае незначительного количества удачных обращений в кэш, эти затраты времени будут сводить на нет все преимущества считывания данных из памяти по сравнению со считыванием напрямую с диска).
Как было показано в предыдущем разделе, поиск в страничном кэше выполняется на основании информации объекта address_space и значения смещения. Каждый объект address_space имеет свое уникальное базисное дерево (radix tree), которое хранится в поле page_tree. Базисное дерево — это один из типов бинарных деревьев. Базисное дерево позволяет выполнять очень быстрый поиск необходимой страницы только на основании значения смещения в файле. Функции поиска в страничном кэше, такие как find_get_page() и radix_tree_lookup(), выполняют поиск с использованием заданного дерева и заданного объекта.
Основной код для работы с базисными деревьями находится в файле lib/radix-tree.c. Для использования базисных деревьев необходимо подключить заголовочный файл <linux/radix-tree.h>.
Старая хеш-таблица страниц
Для ядер до серии 2.6 поиск в страничном кэше не выполнялся с помощью базисных деревьев. Вместо этого поддерживалась глобальная хеш-таблица всех страниц памяти в системе. Специальная хеш-функция возвращала двухсвязный список значений, связанных с одним значением ключа. Если нужная страница находится в кэше, то один из элементов этого списка соответствует этой нужной странице. Если страница в кэше отсутствует, то хеш-функция возвращает значение NULL.
86
Реализация ядра основана на базисном дереве поиска по приоритетам, предложенном в работе Edward M. McCreight, опубликованной в журнале SIAM Journal of Computing, May 1985, vol. 14. №2, P. 257–276.