struct buffer_head 效率低下

Question

有人能说出为什么 Linux Kernel 2.4 之前使用的 struct buffer_head 结构效率低下的原因以及从内核 2.5.1 开始重新设计的新块层中使用的 struct bio 结构中实现了哪些内容吗？

Answer 1

在 2.5 之前的内核中，buffer_head 曾经是 IO 的单位。然而，根据 buffer_head 进行 IO 可能效率很低。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 结构最适合提供块到物理内存的映射，这正是它从 2.5 开始所做的事情（也是它所做的唯一事情）内核开始。

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另一方面，struct bio 被设计为后续内核版本中的 IO 单元。 **它代表当前内核中的活动 IO strong>.** 请注意，块到内存的映射仍然保留在 buffer_head 中。然而，buffer_head 现在并没有因包含当前活动 IO 信息的字段而过载。因此，当文件系统等更高级别的代码发出 IO 时，请求就会添加到 request_queue 中。该请求又包含指向 bio 结构的指针。设备驱动程序控制发出 IO 的设备，接收请求并为其提供服务。

struct bio 结构还用于分割 IO，例如，通过 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_vector 数组（它们只不过是内存页的偏移量）。此外，bi_idx 用于索引这些 io_vec。通过对不同的磁盘使用不同的 bi_idx 值，每个磁盘将拾取一组不同的 io_vec 进行写入（或读取），因此 IO 将以真正的并行方式完成。

Answer 2

使用来源，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 {
[ ... ]

以及来自 linux/include/bio.h：

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

这两个解耦 I/O 特性和“更高级别”的操作（I/ O 通过文件系统）和“低级别”（I/O 通过块开发）。这可以实现更高的性能，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此处找到，Jens Axboe 对此进行了讨论在这次采访中简要介绍。

Answer 3

Robert Love 的 LKD 3rd 对此有非常详细的解释。

旧与新

缓冲区头与新缓冲区头的区别
bio结构很重要。bio结构代表一个I/O
操作，可能包括内存中的一页或多页。另一方面
另一方面，buffer_head 结构代表单个缓冲区，其中
描述磁盘上的单个块。因为缓冲区头绑定到
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
之后重新组装它们。由于生物结构轻，
可以描述不连续的块并且不会不必要地分割 I/O
运营。从 struct buffer_head 切换到提供的 struct bio
还有其他好处：

• bio结构体可以很方便的表示高端内存，因为struct bio
  仅处理物理页面，而不处理直接指针。

• bio结构体既可以表示普通页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，”有关页面缓存的讨论）。

• 生物结构可以轻松执行分散-聚集（矢量）
  块I/O操作，以及操作中涉及的数据
  源自多个物理页面。

• 生物结构很多
  比缓冲头更轻，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的信息。