5分钟搞懂Linux中直接I/O原理

下边我们来看一下当进程通过 read() 系统调用读取一个已经设置了 O_DIRECT 标识符的文件的时候，系统都做了哪些处理。 函数 read() 的原型如下所示：

ssize_t read(int feledes, void *buff, size_t nbytes) ; 

操作系统中处理 read() 函数的入口函数是 sys_read()，其主要的调用函数关系图如下：

sys_read()  
 |-----vfs_read()  
 |----generic_file_read()  
 |----generic_file_aio_read()  
 |--------- generic_file_direct_IO() 
​ 

函数 sys_read() 从进程中获取文件描述符以及文件当前的操作位置后会调用 vfs_read() 函数去执行具体的操作过程，而 vfs_read() 函数最终是调用了 file 结构中的相关操作去完成文件的读操作，即调用了 generic_file_read() 函数，其代码如下所示：

ssize_t  
generic_file_read(struct file *filp,  
char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)  
{  
 struct iovec local_iov = { .iov_base = buf, .iov_len = count };  
 struct kiocb kiocb;  
 ssize_t ret;  
  
 init_sync_kiocb(&kiocb, filp);  
 ret = __generic_file_aio_read(&kiocb, &local_iov, 1, ppos);  
 if (-EIOCBQUEUED == ret)  
 ret = wait_on_sync_kiocb(&kiocb);  
 return ret;  
} 

函数 generic_file_read() 初始化了 iovec 以及 kiocb 描述符。描述符 iovec 主要是用于存放两个内容：用来接收所读取数据的用户地址空间缓冲区的地址和缓冲区的大小；描述符 kiocb 用来跟踪 I/O 操作的完成状态。之后，函数 generic_file_read() 凋用函数 __generic_file_aio_read()。该函数检查 iovec 中描述的用户地址空间缓冲区是否可用，接着检查访问模式，若访问模式描述符设置了 O_DIRECT，则执行与直接 I/O 相关的代码。函数 __generic_file_aio_read() 中与直接 I/O 有关的代码如下所示：

if (filp->f_flags & O_DIRECT) {  
 loff_t pos = *ppos, size;  
 struct address_space *mapping;  
 struct inode *inode;  
  
 mapping = filp->f_mapping;  
 inode = mapping->host;  
 retval = 0;  
 if (!count)  
 goto out;  
 size = i_size_read(inode);  
 if (pos < size) {  
 retval = generic_file_direct_IO(READ, iocb,  
 iov, pos, nr_segs);  
 if (retval > 0 && !is_sync_kiocb(iocb))  
 retval = -EIOCBQUEUED;  
 if (retval > 0)  
 *ppos = pos + retval;  
 }  
 file_accessed(filp);  
 goto out;  
} 

上边的代码段主要是检查了文件指针的值，文件的大小以及所请求读取的字节数目等，之后，该函数调用 generic_file_direct_io()，并将操作类型 READ，描述符 iocb，描述符 iovec，当前文件指针的值以及在描述符 io_vec 中指定的用户地址空间缓冲区的个数等值作为参数传给它。当 generic_file_direct_io() 函数执行完成，函数 __generic_file_aio_read（）会继续执行去完成后续操作：更新文件指针，设置访问文件 i 节点的时间戳；这些操作全部执行完成以后，函数返回。 函数 generic_file_direct_IO() 会用到五个参数，各参数的含义如下所示：

1. rw：操作类型，可以是 READ 或者 WRITE
2. iocb：指针，指向 kiocb 描述符　
3. iov：指针，指向 iovec 描述符数组
4. offset：file 结构偏移量
5. nr_segs：iov 数组中 iovec 的个数

（编辑：宣城站长网）

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