读取一个文件的时候，操作系统发生了什么

今天分享一下读取文件的过程。linux万物皆文件，任意文件的操作，都是通过统一的函数开始，所以我们就从read函数，分析针对一般文件的读取过程。

int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count){
	struct file * file;
	struct m_inode * inode;
	// 通过fd拿到file和inode结构体
	if (fd>=NR_OPEN || count<0 || !(file=current->filp[fd]))
		return -EINVAL;
	inode = file->f_inode;
	...
	/*
		f_pos表示当前的读取指针，i_size表示整个文件大小
		下面代码判断读的长度是否大于剩下的可读长度，是的话只取剩下的部分
	*/
	if (count+file->f_pos > inode->i_size)
		count = inode->i_size - file->f_pos;
	// 到底了
	if (count<=0)
		return 0;
	return file_read(inode,file,buf,count);
}

下面是进程结构体和文件系统结构体的关系。

file_read函数是对一般文件进行读取的函数。

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count)
{
	int left,chars,nr;
	struct buffer_head * bh;

	if ((left=count)<=0)
		return 0;
	while (left) {
		// bmap取得该文件偏移对应的硬盘块号，然后读进来
		if (nr = bmap(inode,(filp->f_pos)/BLOCK_SIZE)) {
			if (!(bh=bread(inode->i_dev,nr)))
				break;
		} else
			bh = NULL;
		// 偏移
		nr = filp->f_pos % BLOCK_SIZE;
		// 读进来的数据中，可读的长度和还需要读的长度，取小的，如果还没读完继续把块从硬盘读进来
		chars = MIN( BLOCK_SIZE-nr , left );
		filp->f_pos += chars; // 更新偏移指针
		left -= chars; // 更新还需药读取的长度
		if (bh) {
			char * p = nr + bh->b_data;
			while (chars-->0)
				put_fs_byte(*(p++),buf++); //复制到buf里 
			brelse(bh);
		} else {
			// 没有数据则复制0
			while (chars-->0)
				put_fs_byte(0,buf++);
		}
	}
	// 更新访问时间
	inode->i_atime = CURRENT_TIME;
	// 返回读取的长度，如果一个都没读则返回错误
	return (count-left)?(count-left):-ERROR;
}

上面的函数代码看起来很多，但是逻辑其实比较清晰。他主要是根据当前的读指针位置，算出对应文件内容所在的硬盘块，接着把文件在硬盘中的数据块读进来内存，然后复制到用户空间。所以现在的问题有两个。
1 根据读指针计算文件内容在硬盘的位置。我们知道一个文件对应一个inode。inode里记录了文件内容的一些信息。如图。

我们看到inode里记录了文件每个数据块的逻辑块号在硬盘中对应的块号。所以我们根据读指针和硬盘逻辑块的大小算出逻辑块号。然后根据逻辑块号从inode的映射表中找到对应的硬盘块号。
2 根据硬盘块号，把数据读取出来。读取函数是bread（block read）。

struct buffer_head * bread(int dev,int block)
{
	struct buffer_head * bh;
	// 先从buffer链表中获取一个buffer
	if (!(bh=getblk(dev,block)))
		panic("bread: getblk returned NULL\n");
	// 之前已经读取过并且有效，则直接返回
	if (bh->b_uptodate)
		return bh;
	// 返回读取硬盘的数据
	ll_rw_block(READ,bh);
	//ll_rw_block会锁住bh，所以会先阻塞在这然后等待唤醒 
	wait_on_buffer(bh);
	// 底层读取数据成功后会更新该字段为1，否则就是读取出错了
	if (bh->b_uptodate)
		return bh;
	brelse(bh);
	return NULL;
}

我们分三部分分析bread函数。
1 根据设备号和块号从buffer链表中获取缓存的数据，操作系统在硬盘上面实现了一层缓存系统。对于文件的读写进行了缓存处理。比如我们读取了一个文件的某一部分内容，如果下次继续读取这部分内容，则不需要再从硬盘读取，直接从缓存中读取就行。这样就提高了读取的速度，因为我们知道硬盘的读取是非常慢的操作。当然操作系统会对数据的有效性进行维护（b_uptodate字段等于1说明有效）。
2 如果缓存失效，则调用ll_rw_block函数进行硬盘读取。
3 因为硬盘读取非常慢，所以这时候进程会阻塞。通过wait_on_buffer函数实现进程的阻塞。等到进程被唤醒的时候再次通过b_uptodate字段判断是否读取成功。b_uptodate字段会在数据读取成功的时候设置为1.

static inline void wait_on_buffer(struct buffer_head * bh)
{
	cli();
	while (bh->b_lock)
		sleep_on(&bh->b_wait);
	sti();
}

我们继续分析ll_rw_block函数，看看操作系统是如何对硬盘的数据进行读取的。

void ll_rw_block(int rw, struct buffer_head * bh)
{
	unsigned int major;

	if ((major=MAJOR(bh->b_dev)) >= NR_BLK_DEV ||
	!(blk_dev[major].request_fn)) {
		printk("Trying to read nonexistent block-device\n\r");
		return;
	}
	// 新建一个读写硬盘数据的请求
	make_request(major,rw,bh);
}

ll_rw_block函数的逻辑非常简单，直接调用make_request。分析这个函数之前我们先了解一下struct request结构体和一些硬盘读取的内容。硬盘对应上层的读写操作，维护了一个结构体struct blk_dev_struct。

该结构体记录了请求硬盘操作的任务队列和处理函数。struct request结构体则记录了请求硬盘任务的一些上下文。比如操作的类型（读或写），读取的扇区、扇区数、保存读写数据的指针。接下来我们继续分析make_request函数。

static void make_request(int major,int rw, struct buffer_head * bh)
{
	struct request * req;
	int rw_ahead;
	...
	// 请求队列1/3用于读，2/3用于写
repeat:
	if (rw == READ)
		req = request+NR_REQUEST;
	else
		req = request+((NR_REQUEST*2)/3);
	/* find an empty request */
	while (--req >= request)
		// 小于0说明该结构没有被使用
		if (req->dev<0)
			break;
	// 没有找到可用的请求结构
	if (req < request) {
		// 预读写则直接返回
		if (rw_ahead) {
			unlock_buffer(bh);
			return;
		}
		// 阻塞等待可用的请求结构
		sleep_on(&wait_for_request);
		// 被唤醒后重新查找
		goto repeat;
	}

	req->dev = bh->b_dev;
	req->cmd = rw;
	req->errors=0;
	req->sector = bh->b_blocknr<<1; // 一块等于两个扇区所以乘以2，即左移1位，比如要读地10块，则读取第二十个扇区
	req->nr_sectors = 2;// 一块等于两个扇区，即读取的扇区是2
	req->buffer = bh->b_data;
	req->waiting = NULL;
	req->bh = bh;
	req->next = NULL;
	// 插入请求队列
	add_request(major+blk_dev,req);
}

该函数就是生成一个struct request节点插入到请求硬盘操作的队列中。继续看add_request

static void add_request(struct blk_dev_struct * dev, struct request * req)
{
	struct request * tmp;

	req->next = NULL;
	cli();
	if (req->bh)
		req->bh->b_dirt = 0;
	// 当前没有请求项，插入队列，开始处理请求
	if (!(tmp = dev->current_request)) {
		dev->current_request = req;
		sti();
		(dev->request_fn)();
		return;
	}
	// 如果已经在处理队列中的请求，那么使用电梯算法插入相应的位置，等待处理。
	for ( ; tmp->next ; tmp=tmp->next)
		if ((IN_ORDER(tmp,req) ||
		    !IN_ORDER(tmp,tmp->next)) &&
		    IN_ORDER(req,tmp->next))
			break;
	req->next=tmp->next;
	tmp->next=req;
	sti();
}

不管是第一个任务节点还是后续的任务节点。都由request_fn对应的函数逐个进行处理。硬盘操作对应的处理函数是do_hd_request。do_hd_request函数根据request结构体中的上下文，对硬盘控制器发送操作命令，比如需要读取的操作类型、读取的扇区等。并且设置回调函数read_intr（因为我们分析的是读取操作）。这时候进程就阻塞了。等到硬盘控制器从硬盘中读取数据成功后，会触发中断。在中断处理函数中会执行刚才我们设置的回调read_intr。read_intr函数从硬盘控制器的数据寄存器中把数据读取进来。如果还没读取完毕，则继续等待后续硬盘中断。如果全部读取成功则唤醒进程。

	// 读写数据成功，数据有效位置1
	CURRENT->bh->b_uptodate = uptodate;
	unlock_buffer(CURRENT->bh);

inline void unlock_buffer(struct buffer_head * bh)
{
	if (!bh->b_lock)
		printk(DEVICE_NAME ": free buffer being unlocked\n");
	bh->b_lock=0;
	// 唤醒等待的进程
	wake_up(&bh->b_wait);
}

至此，文件的读取整个过程就分析完了。最后顺便说一下文件写入的过程，其实和读取的过程很类似。如果是修改文件之前的内容，则先把这块内容读取到内存，然后修改内存的数据，最后回写硬盘。如果是追加性写入，则先在硬盘申请一个新的数据块，并且修改位图、inode信息。然后把新块读取到内存，接着修改内存数据，最后回写到硬盘。