read 系统调用剖析（3）Ext2 文件系统层的处理

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Ext2 文件系统层的处理图4 read 系统调用在 ext2 层中处理时函数调用关系由图 4 可知，该层入口函数 generic_file_read 调用函数 __generic_file_aio_read ，后者判断本次读请求的访问方式，如果是直接 io （filp->f_flags 被设置了 O_DIRECT 标志，即不经过 cache）的方式，则调用 generic_file_direct_IO 函数；如果是 page cache 的方式，则调用 do_generic_file_read 函数。函数 do_generic_file_read 仅仅是一个包装函数，它又调用 do_generic_mapping_read 函数。
在讲解 do_generic_mapping_read 函数都作了哪些工作之前，我们再来看一下文件在内存中的缓存区域是被怎么组织起来的。
文件的 page cache 结构图5显示了一个文件的 page cache 结构。文件被分割为一个个以 page 大小为单元的数据块,这些数据块（页）被组织成一个多叉树（称为 radix 树）。树中所有叶子节点为一个个页帧结构（struct page），表示了用于缓存该文件的每一个页。在叶子层最左端的第一个页保存着该文件的前4096个字节（如果页的大小为4096字节），接下来的页保存着文件第二个4096个字节，依次类推。树中的所有中间节点为组织节点，指示某一地址上的数据所在的页。此树的层次可以从0层到6层，所支持的文件大小从0字节到16 T 个字节。树的根节点指针可以从和文件相关的 address_space 对象（该对象保存在和文件关联的 inode 对象中）中取得（更多关于 page cache 的结构内容请参见参考资料）。
图5 文件的 page cache 结构现在，我们来看看函数 do_generic_mapping_read 都作了哪些工作， do_generic_mapping_read 函数代码较长，本文简要介绍下它的主要流程：

• 根据文件当前的读写位置，在 page cache 中找到缓存请求数据的 page
• 如果该页已经最新，将请求的数据拷贝到用户空间
• 否则， Lock 该页
• 调用 readpage 函数向磁盘发出添页请求（当下层完成该 IO 操作时会解锁该页），代码：

1	error = mapping->a_ops->readpage(filp, page);

• 再一次 lock 该页，操作成功时，说明数据已经在 page cache 中了，因为只有 IO 操作完成后才可能解锁该页。此处是一个同步点，用于同步数据从磁盘到内存的过程。
• 解锁该页
• 到此为止数据已经在 page cache 中了，再将其拷贝到用户空间中（之后 read 调用可以在用户空间返回了）

到此，我们知道：当页上的数据不是最新的时候，该函数调用 mapping->a_ops->readpage 所指向的函数（变量 mapping 为 inode 对象中的 address_space 对象），那么这个函数到底是什么呢？
Readpage 函数的由来address_space 对象是嵌入在 inode 对象之中的，那么不难想象： address_space 对象成员 a_ops 的初始化工作将会在初始化 inode 对象时进行。如清单3中后半部所显示。

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if (test_opt(inode->i_sb, NOBH)) inode->i_mapping->a_ops = &ext2_nobh_aops; else     inode->i_mapping->a_ops = &ext2_aops;

可以知道 address_space 对象的成员 a_ops 指向变量 ext2_aops 或者变量 ext2_nobh_aops 。这两个变量的初始化如清单5所示。
清单5 变量 ext2_aops 和变量 ext2_nobh_aops 的初始化

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struct address_space_operations ext2_aops = {     .readpage          =ext2_readpage,     .readpages         = ext2_readpages,     .writepage         = ext2_writepage,     .sync_page         = block_sync_page,     .prepare_write     = ext2_prepare_write,     .commit_write       = generic_commit_write,     .bmap                 = ext2_bmap,     .direct_IO           = ext2_direct_IO,     .writepages          = ext2_writepages, }; struct address_space_operations ext2_nobh_aops = {     .readpage= ext2_readpage,     .readpages           = ext2_readpages,     .writepage           = ext2_writepage,     .sync_page           = block_sync_page,     .prepare_write      = ext2_nobh_prepare_write,     .commit_write       = nobh_commit_write,     .bmap                 = ext2_bmap,     .direct_IO           = ext2_direct_IO,     .writepages          = ext2_writepages, };

从上述代码中可以看出，不论是哪个变量，其中的 readpage 成员都指向函数 ext2_readpage 。所以可以断定：函数 do_generic_mapping_read 最终调用 ext2_readpage 函数处理读数据请求。
到此为止， ext2 文件系统层的工作结束。