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read 系统调用剖析

级别：初级

赵健博(zhaojianbo@ncic.ac.cn),硕士,中国科学院计算技术研究所 2008年3月13日

大部分程序员可能会有这样的疑问：当在程序中调用库函数read时，这个请求是经过哪些处理最终到达磁盘的呢，数据又是怎么被拷贝到用户缓存区的呢?本文介绍了从read系统调用发出到结束处理的全过程。该过程包括两个部分：用户空间的处理、核心空间的处理。用户空间处理部分是系统调用从用户态切到核心态的过程。核心空间处理部分则是read系统调用在linux内核中处理的整个过程。Read系统调用在用户空间中的处理过程

Linux系统调用(SCI，system call interface)的实现机制实际上是一个多路汇聚以及分解的过程，该汇聚点就是0x80中断这个入口点(X86系统结构)。也就是说，所有系统调用都从用户空间中汇聚到0x80中断点，同时保存具体的系统调用号。当0x80中断处理程序运行时，将根据系统调用号对不同的系统调用分别处理(调用不同的内核函数处理)。系统调用的更多内容，请参见参考资料。

Read系统调用也不例外，当调用发生时，库函数在保存read系统调用号以及参数后，陷入0x80中断。这时库函数工作结束。Read系统调用在用户空间中的处理也就完成了。

Read系统调用在核心空间中的处理过程

0x80中断处理程序接管执行后，先检察其系统调用号，然后根据系统调用号查找系统调用表，并从系统调用表中得到处理read系统调用的内核函数sys_read，最后传递参数并运行sys_read函数。至此，内核真正开始处理read系统调用(sys_read是read系统调用的内核入口)。

在讲解read系统调用在核心空间中的处理部分中，首先介绍了内核处理磁盘请求的层次模型，然后再按该层次模型从上到下的顺序依次介绍磁盘读请求在各层的处理过程。

Read系统调用在核心空间中处理的层次模型

图1显示了read系统调用在核心空间中所要经历的层次模型。从图中看出：对于磁盘的一次读请求，首先经过虚拟文件系统层(vfs layer)，其次是具体的文件系统层(例如ext2)，接下来是cache层(page cache层)、通用块层(generic block layer)、IO调度层(I/O scheduler layer)、块设备驱动层(block device driver layer)，最后是物理块设备层(block device layer)

图1 read系统调用在核心空间中的处理层次

虚拟文件系统层的作用：屏蔽下层具体文件系统操作的差异，为上层的操作提供一个统一的接口。正是因为有了这个层次，所以可以把设备抽象成文件，使得操作设备就像操作文件一样简单。在具体的文件系统层中，不同的文件系统(例如ext2和NTFS)具体的操作过程也是不同的。每种文件系统定义了自己的操作集合。关于文件系统的更多内容，请参见参考资料。引入cache层的目的是为了提高linux操作系统对磁盘访问的性能。Cache层在内存中缓存了磁盘上的部分数据。当数据的请求到达时，如果在cache中存在该数据且是最新的，则直接将数据传递给用户程序，免除了对底层磁盘的操作，提高了性能。通用块层的主要工作是：接收上层发出的磁盘请求，并最终发出IO请求。该层隐藏了底层硬件块设备的特性，为块设备提供了一个通用的抽象视图。IO调度层的功能：接收通用块层发出的IO请求，缓存请求并试图合并相邻的请求(如果这两个请求的数据在磁盘上是相邻的)。并根据设置好的调度算法，回调驱动层提供的请求处理函数，以处理具体的IO请求。驱动层中的驱动程序对应具体的物理块设备。它从上层中取出IO请求，并根据该IO请求中指定的信息，通过向具体块设备的设备控制器发送命令的方式，来操纵设备传输数据。设备层中都是具体的物理设备。定义了操作具体设备的规范。相关的内核数据结构：

Dentry：联系了文件名和文件的i节点inode：文件i节点，保存文件标识、权限和内容等信息file：保存文件的相关信息和各种操作文件的函数指针集合file_operations：操作文件的函数接口集合address_space：描述文件的

page cache结构以及相关信息，并包含有操作page cache的函数指针集合address_space_operations：操作page cache的函数接口集合bio：IO请求的描述数据结构之间的关系：

图2示意性地展示了上述各个数据结构(除了bio)之间的关系。可以看出：由dentry对象可以找到inode对象，从inode对象中可以取出address_space对象，再由address_space对象找到address_space_operations对象。

File对象可以根据当前进程描述符中提供的信息取得，进而可以找到dentry对象、address_space对象和file_operations对象。

图2数据结构关系图： 前提条件：

对于具体的一次read调用，内核中可能遇到的处理情况很多。这里举例其中的一种情况：

要读取的文件已经存在文件经过page cache要读的是普通文件磁盘上文件系统为ext2文件系统，有关ext2文件系统的相关内容，参见参考资料准备：

注：所有清单中代码均来自linux 2.6.11内核原代码

读数据之前，必须先打开文件。处理open系统调用的内核函数为sys_open。所以我们先来看一下该函数都作了哪些事。清单1显示了sys_open的代码(省略了部分内容，以后的程序清单同样方式处理)

清单1 sys_open函数代码

asmlinkage long sys_open(const char __user*filename,int flags,int mode){…fd=get_unused_fd()；if(fd=0){struct

file*f=filp_open(tmp,flags,mode)；fd_install(fd,f)；}…return fd；…}

代码解释：