struct buffer_head 效率低下

Question

谁能说出直到 Linux Kernel 2.4 之前使用的 struct buffer_head 结构效率低下的原因，以及在内核 2.5.1 重新设计的新块层中使用的 struct bio 结构中实现了什么？

Answer 1

在 2.5 之前的内核中，buffer_head 曾经是 IO 的 单元。但是，根据 buffer_head 执行 IO 可能效率低下。例如，跨越多个块的单个写入将导致创建多个 buffer_head 对象，从而浪费空间和时间。因此，buffer_head 结构最适合用于提供块到物理内存的映射，这正是它在 2.5 中所做的事情（也是它所做的唯一事情）从内核开始。

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另一方面，struct bio 被设计为以后内核版本中的 IO 单元。 **它代表当前在内核.** 请注意，块到内存的映射仍保留在 buffer_head 中。但是，buffer_head 现在没有被包含有关当前活动 IO 信息的字段重载。因此，当文件系统等更高级别的代码发出 IO 时，会将请求添加到 request_queue。该请求又包含一个指向 bio 结构的指针。控制发出 IO 的设备的设备驱动程序接收请求并提供服务。

struct bio 结构也用于分割 IO，例如 RAID 磁盘设备驱动程序。查看 struct bio 定义，您会发现它维护了一个 io_vectors 数组（它们只是内存页的偏移量）。此外，bi_idx 用于索引这些 io_vec。通过为不同的磁盘使用不同的 bi_idx 值，每个磁盘将选择一组不同的 io_vec 来写入（或读取），因此 IO 将以真正的并行方式完成。

Answer 2

使用源代码，卢克！

来自include/linux/buffer_head.h：

/*
 * Historically, a buffer_head was used to map a single block
 * within a page, and of course as the unit of I/O through the
 * filesystem and block layers.  Nowadays the basic I/O unit
 * is the bio, and buffer_heads are used for extracting block
 * mappings (via a get_block_t call), for tracking state within
 * a page (via a page_mapping) and for wrapping bio submission
 * for backward compatibility reasons (e.g. submit_bh).
 */
struct buffer_head {
[ ... ]

来自linux/include/bio.h：

/*
 * main unit of I/O for the block layer and lower layers (ie drivers and
 * stacking drivers)
 */
struct bio {
[ ... ]

“高级”（通过文件系统的 I/O）和“低级”（通过块开发的 I/O）的两个分离 I/O 特征和操作。这允许更高的性能，因为在某处等待的缓冲层不会阻止块层在其他地方执行工作。关于它的一些解释可以在here 找到，Jens Axboe 简单地谈论它in this interview。

Answer 3

Robert Love 的 LKD 3rd 对此有非常详细的解释。

旧与新

缓冲头和新的区别 bio 结构很重要。bio 结构代表一个 I/O 操作，它可能包括内存中的一个或多个页面。在另一 手，buffer_head结构代表一个单独的缓冲区，它 描述磁盘上的单个块。因为缓冲头被绑定到 单个页面中的单个磁盘块，缓冲区头导致 将请求不必要地划分为块大小的块，只是为了 稍后重新组装它们。由于生物结构重量轻，它 可以描述不连续的块并且不会不必要地拆分 I/O 操作。从 struct buffer_head 切换到 struct bio 提供 还有其他好处：

• bio结构可以很容易的表示高内存，因为struct bio 只处理物理页而不处理直接指针。

• bio 结构既可以表示普通页面 I/O，也可以表示直接 I/O（I/O 不通过页面缓存的操作——参见第 16 章，“ 页面缓存和页面写回”，用于讨论页面缓存）。

• 生物结构使得执行分散收集（矢量化）变得容易 块 I/O 操作，以及操作中涉及的数据 源自多个物理页面。

• 生物结构多 比缓冲头更轻量，因为它只包含 表示块 I/O 操作所需的最少信息，而不是 与缓冲区本身相关的不必要信息。