本文深入探讨了Linux Barrier I/O的实现，包括其目的、操作序列、标志以及处理流程。强调了barrier I/O在确保数据可靠写入存储介质的重要性，特别是在日志文件系统中。分析了如何通过两次flush操作和barrier request来确保I/O顺序，并详细介绍了处理barrier request的步骤，如插入调度队列和处理序列。此外，还提及了Linux中的sync命令、sync系统调用和mips芯片的sync指令在内存同步中的作用。
一直以来，I/O顺序问题一直困扰着我。其实这个问题是一个比较综合的问题，它涉及的层次比较多，从VFS page cache到I/O调度算法，从i/o子系统到存储外设。而Linux I/O barrier就是其中重要的一部分。可能很多人认为，在做了文件写操作后，调用fsycn就能保证数据可靠地写入磁盘。大多数情况下，确实如此。但是，由于缓存的存在，fsycn这些同步操作，并不能保证存储设备把数据写入非易失性介质。如果此时存储设备发生掉电或者硬件错误，此时存储缓存中的数据将会丢失。这对于像日志文件系统中的日志这样的数据，其后果可能是非常严重的。因为日志文件系统中，数据的写入和日志的写入存在先后顺序。如果顺序发生错乱，则可能破坏文件系统。因此必须要有一种方式，来知道写入的数据是否真的被写入到外部存储的非易失性介质，比便文件系统根据写入情况来进行下一步的操作。如果把fsycn理解成OS级别同步的话，那么对于Barrier I/O，我的理解就是硬件级别的同步。具体Linux Barrier I/O的介绍，参考”Linux Barrier I/O”。本文主要分析Linux Barrier I/O的实现以及其他块设备驱动对它的影响。
Barrier I/O的目的是使其之前的I/O在其之前写入存储介质，之后的I/O需要等到其写入完成后才能得到执行。为了实现这个要求，我们最多需要执行2次flush（刷新）操作。（注意，这儿所说的flush，指的是刷新存储设备的缓存。但并不是所有存储设备都支持flush操作，所以不是所有设备都支持barrier I/O。支持根据这个要求，需要在初始化磁盘设备的请求队列时，显式的表明该设备支持barrier I/O的类型并实现prepare flush 方法，参见”Linux Barrier I/O”。）第一次flush是把barrier I/O之前的所有数据刷新，当刷新成功，也就是这些数据被存储设备告知确实写入其介质后，提交Barrier I/O所在的请求。然后执行第二次刷新，这次刷新的是Barrier I/O所携带的数据。当然，如果Barrier I/O没有携带任何数据，则第二次刷新可以省略。此外，如果存储设备支持FUA，则可以在提交Barrier I/O所携带的数据时，使用FUA命令。这样可以直接知道Barrier I/O所携带的数据是否写入成功，从而省略掉第二次刷新。
通过对Barrier I/O的处理过程，我们可以看到，其中最核心的是两次刷新操作和中间的Barrier I/O。为了表示这两次刷新操作以及该Barrier I/O，在Linux Barrier I/O的实现中，引入了3个辅助request: pre_flush_rq, bar_rq, post_flush_rq. 它们包含在磁盘设备的request_queue中。每当通用块层接收到上面发下来的Barrier I/O请求，就会把该请求拷贝到bar_rq，并把这3个请求依次加入请求队列，形成flush->barrier->flush请求序列。这样，在处理请求时，便能实现barrier I/O所要求的功能。当然，并不是所有设备都必须使用以上序列中的所有操作，具体要使用那些操作，是有设备自身特点决定的。为了标示设备所需要采取的操作序列，Linux Barrier I/O中定义了以下标志：
QUEUE_ORDERED_BY_DRAIN = 0x01,
QUEUE_ORDERED_BY_TAG = 0x02,
QUEUE_ORDERED_DO_PREFLUSH = 0x10,
QUEUE_ORDERED_DO_BAR = 0x20,
QUEUE_ORDERED_DO_POSTFLUSH = 0x40,
QUEUE_ORDERED_DO_FUA = 0x80,
QUEUE_ORDERED_NONE = 0x00,
QUEUE_ORDERED_DRAIN = QUEUE_ORDERED_BY_DRAIN |
QUEUE_ORDERED_DO_BAR,
QUEUE_ORDERED_DRAIN_FLUSH = QUEUE_ORDERED_DRAIN |
QUEUE_ORDERED_DO_PREFLUSH |
QUEUE_ORDERED_DO_POSTFLUSH,
QUEUE_ORDERED_DRAIN_FUA = QUEUE_ORDERED_DRAIN |
QUEUE_ORDERED_DO_PREFLUSH |
QUEUE_ORDERED_DO_FUA,
QUEUE_ORDERED_TAG = QUEUE_ORDERED_BY_TAG |
QUEUE_ORDERED_DO_BAR,
QUEUE_ORDERED_TAG_FLUSH = QUEUE_ORDERED_TAG |
QUEUE_ORDERED_DO_PREFLUSH |
QUEUE_ORDERED_DO_POSTFLUSH,
QUEUE_ORDERED_TAG_FUA = QUEUE_ORDERED_TAG |
QUEUE_ORDERED_DO_PREFLUSH |
QUEUE_ORDERED_DO_FUA,
不同的标志决定了不同的操作序列。此外，为了标示操作序列的执行状态，Linux Barrier I/O中定义了以下标志，它们表示了处理Barrier I/O过程中，执行操作序列的状态：
QUEUE_ORDSEQ_STARTED = 0x01, /* flushing in progress */
QUEUE_ORDSEQ_DRAIN = 0x02, /* waiting for the queue to be drained */
QUEUE_ORDSEQ_PREFLUSH = 0x04, /* pre-flushing in progress */
QUEUE_ORDSEQ_BAR = 0x08, /* original barrier req in progress */
QUEUE_ORDSEQ_POSTFLUSH = 0x10, /* post-flushing in progress */
QUEUE_ORDSEQ_DONE = 0x20,
整个Barrier I/O的处理流程，就是根据操作序列标志确定操作序列，然后执行操作序列并维护其状态的过程。下面将具体分析其代码实现。
1.提交Barrier I/O
提交Barrier I/O最直接的方法是设置该i/o的标志为barrier。其中主要有两个标志：WRITE_BARRIER和BIO_RW_BARRIER。WRITE_BARRIER定义在fs.h，其定义为：#define WRITE_BARRIER ((1 << BIO_RW) | (1 << BIO_RW_BARRIER))，而BIO_RW_BARRIER定义在bio.h。这两个标志都可以直接作用于bio。此外，在更上一层，如buffer_header，它有个BH_Ordered位，如果该位设置，并且为去写方式为WRITE，则在submit_bh中会初始化bio的标志为WRITE_BARRIER。其中，在buffer_head.h中定义了操作BH_Ordered位的函数：set_buffer_ordered，buffer_ordered。
if (buffer_ordered(bh) && (rw & WRITE))
rw |= WRITE_BARRIER;
带有barrier i/o标志的bio通过submit_bio提交后，则需要为其生成request。在生成request的过程中，会根据该barrier i/o来设置request的一些标志。比如在__make_request->init_request_from_bio中有：
if (unlikely(bio_barrier(bio)))
req->cmd_flags |= (REQ_HARDBARRIER | REQ_NOMERGE);
这两个标志告诉elevator，该request包含barrier i/o，不需要合并。因此内核elevator在加入该request的时候会对其做专门的处理。
2.barrier request加入elevator调度队列
我们把包含barrier i/o的request叫做barrier request。Barrier request不同于一般的request，因此在将其加入elevator调度队列时，需要做专门处理。
void __elv_add_request(struct request_queue *q, struct request *rq, int where,
int plug)
{
if (q->ordcolor)
rq->cmd_flags |= REQ_ORDERED_COLOR;
if (rq->cmd_flags & (REQ_SOFTBARRIER | REQ_HARDBARRIER)) {
/*
* toggle ordered color
*/
if (blk_barrier_rq(rq))
q->ordcolor ^= 1;
/*
* barriers implicitly indicate back insertion
*/
if (where == ELEVATOR_INSERT_SORT)
where = ELEVATOR_INSERT_BACK;
/*
* this request is scheduling boundary, update
* end_sector
*/
if (blk_fs_request(rq)) {
q->end_sector = rq_end_sector(rq);
q->boundary_rq = rq;
}
} else if (!(rq->cmd_flags & REQ_ELVPRIV) &&
where == ELEVATOR_INSERT_SORT)
where = ELEVATOR_INSERT_BACK;
…
elv_insert(q, rq, where);
}
为了标明调度队列中两个barrier request的界限，request引入了order color。通过这两句话，把两个barrier request之前的request“填上”不同的颜色：
if (q->ordcolor)
rq->cmd_flags |= REQ_ORDERED_COLOR;
if (blk_barrier_rq(rq))
q->ordcolor ^= 1;
比如：
Rq1 re2 barrrier1 req3 req4 barrier2
0 0 0 1 1 1
因为之后，在处理barrier request时，会为其生成一个request序列，其中可能包含3个request。通过着色，可以区分不同barrier request的处理序列。
另外，对barrier request的特殊处理就是设置其插入elevator调度队列的方向为ELEVATOR_INSERT_BACK。通常，我们插入调度队列的方向是ELEVATOR_INSERT_SORT，其含义是按照request所含的数据块的盘块顺序插入。在elevator调度算法中，往往会插入盘块顺序的红黑树中，如deadline调度算法。之后调度算法在往设备请求队列中分发request的时候，大致会按照这个顺序分发(有可能发生回扫，饥饿，操作等)。因此这这种插入方式不适合barrier request。Barrier request必须插到所有request的最后。这样，才能把之前的request 都”flush”下去。
选择好插入方向后，下面就是调用elv_insert来具体插入一个barrier request：
void elv_insert(struct request_queue *q, struct request *rq, int where)
{
rq->q = q;
switch (where) {
case ELEVATOR_INSERT_FRONT:
rq->cmd_flags |= REQ_SOFTBARRIER;
list_add(&rq->queuelist, &q->queue_head);
break;
case ELEVATOR_INSERT_BACK:
rq->cmd_flags |= REQ_SOFTBARRIER;
elv_drain_elevator(q);
list_add_tail(&rq->queuelist, &q->queue_head);
/*
* We kick the queue here for the following reasons.
* - The elevator might have returned NULL previously
* to delay requests and returned them now. As the
* queue wasn't empty before this request, ll_rw_blk
* won't run the queue on return, resulting in hang.
* - Usually, back inserted requests won't be merged
* with anything. There's no point in delaying queue
* processing.
*/
blk_remove_plug(q);
q->request_fn(q);
break;
case ELEVATOR_INSERT_SORT:
…
case ELEVATOR_INSERT_REQUEUE:
/*
* If ordered flush isn't in progress, we do front
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