Linux Writeback机制分析

浏览数：51 / 时间：2015年06月20日

1. bdi是什么?

    bdi，即是backing device info的缩写，顾名思义它描述备用存储设备相关描述信息，这在内核代码里用一个结构体backing_dev_info来表示。

    bdi，备用存储设备，简单点说就是能够用来存储数据的设备，而这些设备存储的数据能够保证在计算机电源关闭时也不丢失。这样说来，软盘存储设备、光驱存储设备、USB存储设备、硬盘存储设备都是所谓的备用存储设备（后面都用bdi来指示），而内存显然不是

2. bdi工作模型  

 相对于内存来说，bdi设备（比如最常见的硬盘存储设备）的读写速度是非常慢的，因此为了提高系统整体性能，Linux系统对bdi设备的读写内容进行了缓冲，那些读写的数据会临时保存在内存里，以避免每次都直接操作bdi设备，但这就需要在一定的时机（比如每隔5秒、脏数据达到的一定的比率等）把它们同步到bdi设备，否则长久的呆在内存里容易丢失（比如机器突然宕机、重启），而进行间隔性同步工作的进程之前名叫pdflush，但后来在Kernel 2.6.2x/3x对此进行了优化改进，产生有多个内核进程，bdi-default、flush-x:y等。

   关于以前的pdflush不再多说，我们这里只讨论bdi-default和flush-x:y，这两个进程（事实上，flush-x:y为多个）的关系为父与子的关系，即bdi-default根据当前的状态Create或Destroy flush-x:y，x为块设备类型，y为此类设备的序号。如有两个TF卡，则分别为：flush-179:0、flush-179:1。

    一般而言，一个Linux系统会挂载很多bdi设备，在bdi设备注册（函数：bdi_register(…)）时，这些bdi设备会以链表的形式组织在全局变量bdi_list下，除了一个比较特别的bdi设备以外，它就是default bdi设备（default_backing_dev_info），它除了被加进到bdi_list，还会新建一个bdi-default内核进程，即本文的主角。具体代码如下，我相信你一眼就能注意到kthread_run和list_add_tail_rcu这样的关键代码。

[cpp] view plaincopy
 
  1. struct backing_dev_info default_backing_dev_info = {  
  2.     .name       = "default",  
  3.     .ra_pages   = VM_MAX_READAHEAD * 1024 / PAGE_CACHE_SIZE,  
  4.     .state      = 0,  
  5.     .capabilities   = BDI_CAP_MAP_COPY,  
  6. };  
  7. EXPORT_SYMBOL_GPL(default_backing_dev_info);  
[cpp] view plaincopy
 
  1. static inline bool bdi_cap_flush_forker(struct backing_dev_info *bdi)  
  2. {  
  3.     return bdi == &default_backing_dev_info;  
  4. }  
  5.   
  6. int bdi_register(struct backing_dev_info *bdi, struct device *parent,  
  7.         const char *fmt, ...)  
  8. {  
  9.     va_list args;  
  10.     struct device *dev;  
  11.   
  12.     if (bdi->dev)    /* The driver needs to use separate queues per device */  
  13.         return 0;  
  14.   
  15.     va_start(args, fmt);  
  16.     dev = device_create_vargs(bdi_class, parent, MKDEV(0, 0), bdi, fmt, args);  
  17.     va_end(args);  
  18.     if (IS_ERR(dev))  
  19.         return PTR_ERR(dev);  
  20.   
  21.     bdi->dev = dev;  
  22.   
  23.     /* 
  24.      * Just start the forker thread for our default backing_dev_info, 
  25.      * and add other bdi‘s to the list. They will get a thread created 
  26.      * on-demand when they need it. 
  27.      */  
  28.     if (bdi_cap_flush_forker(bdi)) {  
  29.         struct bdi_writeback *wb = &bdi->wb;  
  30.   
  31.         wb->task = kthread_run(bdi_forker_thread, wb, "bdi-%s",  
  32.                         dev_name(dev));  
  33.         if (IS_ERR(wb->task))  
  34.             return PTR_ERR(wb->task);  
  35.     }  
  36.   
  37.     bdi_debug_register(bdi, dev_name(dev));  
  38.     set_bit(BDI_registered, &bdi->state);  
  39.   
  40.     spin_lock_bh(&bdi_lock);  
  41.     list_add_tail_rcu(&bdi->bdi_list, &bdi_list);  
  42.     spin_unlock_bh(&bdi_lock);  
  43.   
  44.     trace_writeback_bdi_register(bdi);  
  45.     return 0;  
  46. }  
  47. EXPORT_SYMBOL(bdi_register);  


接着跟进函数bdi_forker_thread，它是bdi-default内核进程的主体：

[cpp] view plaincopy
 
  1. static int bdi_forker_thread(void *ptr)   
  2. {   
  3. struct bdi_writeback *me = ptr;  
  4.   
  5. current->flags |= PF_SWAPWRITE;   
  6. set_freezable();  
  7.   
  8. /*  
  9. * Our parent may run at a different priority, just set us to normal  
  10. */   
  11. set_user_nice(current, 0);  
  12.   
  13. for (;;) {   
  14. struct task_struct *task = NULL;   
  15. struct backing_dev_info *bdi;   
  16. enum {   
  17. NO_ACTION, /* Nothing to do */   
  18. FORK_THREAD, /* Fork bdi thread */   
  19. KILL_THREAD, /* Kill inactive bdi thread */   
  20. } action = NO_ACTION;  
  21.   
  22. /*  
  23. * Temporary measure, we want to make sure we don‘t see  
  24. * dirty data on the default backing_dev_info  
  25. */   
  26. if (wb_has_dirty_io(me) || !list_empty(&me->bdi->work_list)) {   
  27. del_timer(&me->wakeup_timer);   
  28. wb_do_writeback(me, 0);   
  29. }  
  30.   
  31. spin_lock_bh(&bdi_lock);   
  32. /*  
  33. * In the following loop we are going to check whether we have  
  34. * some work to do without any synchronization with tasks  
  35. * waking us up to do work for them. Set the task state here  
  36. * so that we don‘t miss wakeups after verifying conditions.  
  37. */   
  38. set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);   
  39. /* 遍历所有的bdi对象，检查这些bdi是否存在脏数据，如果有脏数据，那么需要为其fork线程，然后做writeback操作 */   
  40. list_for_each_entry(bdi, &bdi_list, bdi_list) {   
  41. bool have_dirty_io;  
  42.   
  43. if (!bdi_cap_writeback_dirty(bdi) ||   
  44. bdi_cap_flush_forker(bdi))   
  45. continue;  
  46.   
  47. WARN(!test_bit(BDI_registered, &bdi->state),   
  48. "bdi %p/%s is not registered!\n", bdi, bdi->name);   
  49. /* 检查是否存在脏数据 */   
  50. have_dirty_io = !list_empty(&bdi->work_list) ||   
  51. wb_has_dirty_io(&bdi->wb);  
  52.   
  53. /*  
  54. * If the bdi has work to do, but the thread does not  
  55. * exist - create it.  
  56. */   
  57. if (!bdi->wb.task && have_dirty_io) {   
  58. /*  
  59. * Set the pending bit - if someone will try to  
  60. * unregister this bdi - it‘ll wait on this bit.  
  61. */   
  62. /* 如果有脏数据，并且不存在线程，那么接下来做线程的FORK操作 */   
  63. set_bit(BDI_pending, &bdi->state);   
  64. action = FORK_THREAD;   
  65. break;   
  66. }  
  67.   
  68. spin_lock(&bdi->wb_lock);  
  69.   
  70. /*  
  71. * If there is no work to do and the bdi thread was  
  72. * inactive long enough - kill it. The wb_lock is taken  
  73. * to make sure no-one adds more work to this bdi and  
  74. * wakes the bdi thread up.  
  75. */   
  76. /* 如果一个bdi长时间没有脏数据，那么执行线程的KILL操作，结束掉该bdi对应的writeback线程 */   
  77. if (bdi->wb.task && !have_dirty_io &&   
  78. time_after(jiffies, bdi->wb.last_active +   
  79. bdi_longest_inactive())) {   
  80. task = bdi->wb.task;   
  81. bdi->wb.task = NULL;   
  82. spin_unlock(&bdi->wb_lock);   
  83. set_bit(BDI_pending, &bdi->state);   
  84. action = KILL_THREAD;   
  85. break;   
  86. }   
  87. spin_unlock(&bdi->wb_lock);   
  88. }   
  89. spin_unlock_bh(&bdi_lock);  
  90.   
  91. /* Keep working if default bdi still has things to do */   
  92. if (!list_empty(&me->bdi->work_list))   
  93. __set_current_state(TASK_RUNNING);   
  94. /* 执行线程的FORK和KILL操作 */   
  95. switch (action) {   
  96. case FORK_THREAD:   
  97. /* FORK一个bdi_writeback_thread线程，该线程的名字为flush-major:minor */   
  98. __set_current_state(TASK_RUNNING);   
  99. task = kthread_create(bdi_writeback_thread, &bdi->wb,   
  100. "flush-%s", dev_name(bdi->dev));   
  101. if (IS_ERR(task)) {   
  102. /*  
  103. * If thread creation fails, force writeout of  
  104. * the bdi from the thread. Hopefully 1024 is  
  105. * large enough for efficient IO.  
  106. */   
  107. writeback_inodes_wb(&bdi->wb, 1024,   
  108. WB_REASON_FORKER_THREAD);   
  109. } else {   
  110. /*  
  111. * The spinlock makes sure we do not lose  
  112. * wake-ups when racing with ‘bdi_queue_work()‘.  
  113. * And as soon as the bdi thread is visible, we  
  114. * can start it.  
  115. */   
  116. spin_lock_bh(&bdi->wb_lock);   
  117. bdi->wb.task = task;   
  118. spin_unlock_bh(&bdi->wb_lock);   
  119. wake_up_process(task);   
  120. }   
  121. bdi_clear_pending(bdi);   
  122. break;  
  123.   
  124. case KILL_THREAD:   
  125. /* KILL一个线程 */   
  126. __set_current_state(TASK_RUNNING);   
  127. kthread_stop(task);   
  128. bdi_clear_pending(bdi);   
  129. break;  
  130.   
  131. case NO_ACTION:   
  132. /* 如果没有可执行的动作，那么调度本线程睡眠一段时间 */   
  133. if (!wb_has_dirty_io(me) || !dirty_writeback_interval)   
  134. /*  
  135. * There are no dirty data. The only thing we  
  136. * should now care about is checking for  
  137. * inactive bdi threads and killing them. Thus,  
  138. * let‘s sleep for longer time, save energy and  
  139. * be friendly for battery-driven devices.  
  140. */   
  141. schedule_timeout(bdi_longest_inactive());   
  142. else   
  143. schedule_timeout(msecs_to_jiffies(dirty_writeback_interval * 10));   
  144. try_to_freeze();   
  145. break;   
  146. }   
  147. }  
  148.   
  149. return 0;   
  150. }  

 

3. bdi相关数据结构

    在bdi数据结构中定义了一个writeback对象，该对象是对writeback内核线程的描述，并且封装了需要处理的inode队列。在bdi数据结构中有一条work_list，该work队列维护了writeback内核线程需要处理的任务。如果该队列上没有work可以处理，那么writeback内核线程将会睡眠等待。

    writeback

    writeback对象封装了内核线程task以及需要处理的inode队列。当page cache/buffer cache需要刷新radix tree上的inode时，可以将该inode挂载到writeback对象的b_dirty队列上，然后唤醒writeback线程。在处理过程中，inode会被移到b_io队列上进行处理。多条链表的方式可以降低多线程之间的资源共享。writeback数据结构具体定义如下：

[cpp] view plaincopy
 
  1. struct bdi_writeback {   
  2. struct backing_dev_info *bdi; /* our parent bdi */   
  3. unsigned int nr;  
  4.   
  5. unsigned long last_old_flush; /* last old data flush */   
  6. unsigned long last_active; /* last time bdi thread was active */  
  7.   
  8. struct task_struct *task; /* writeback thread */   
  9. struct timer_list wakeup_timer; /* used for delayed bdi thread wakeup */   
  10. struct list_head b_dirty; /* dirty inodes */   
  11. struct list_head b_io; /* parked for writeback */   
  12. struct list_head b_more_io; /* parked for more writeback */   
  13. spinlock_t list_lock; /* protects the b_* lists */   
  14. };  


 

    writeback work

    wb_writeback_work数据结构是对writeback任务的封装，不同的任务可以采用不同的刷新策略。writeback线程的处理对象就是writeback_work。如果writeback_work队列为空，那么内核线程就可以睡眠了。

Writeback_work的数据结构定义如下：


 

[cpp] view plaincopy
 
  1. struct wb_writeback_work {   
  2.  long nr_pages;   
  3.  struct super_block *sb; /* superblock对象 */   
  4. unsigned long *older_than_this;   
  5.  enum writeback_sync_modes sync_mode;   
  6.  unsigned int tagged_writepages:1;   
  7.  unsigned int for_kupdate:1;   
  8.  unsigned int range_cyclic:1;   
  9.  unsigned int for_background:1;   
  10.  enum wb_reason reason; /* why was writeback initiated? */  
  11.   
  12.  struct list_head list; /* pending work list，链入bdi-> work_list队列 */   
  13. struct completion *done; /* set if the caller waits，work完成时通知调用者 */   
  14. };  

 

4. writeback主要函数分析

   writeback机制的主要函数包括如下两个方面：

   1. 管理bdi对象并且fork相应的writeback内核线程处理cache数据的刷新工作。

   2. writeback内核线程处理函数，实现dirty page的刷新操作

writeback线程管理

    Linux中有一个内核守护线程，该线程用来管理系统bdi队列，并且负责为block device创建writeback thread。当bdi中有dirty page并且还没有为bdi分配内核线程的时候，bdi_forker_thread程序会为其分配线程资源；当一个writeback线程长时间处于空闲状态时，bdi_forker_thread程序会释放该线程资源。

 

转自：http://blog.csdn.net/myarrow/article/details/8918944

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