文件系统预读机制的代码分析

最新推荐文章于 2025-11-26 16:48:25 发布

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#linux #运维 #服务器

文章详细描述了Linux内核中文件预读的工作原理，通过实验和代码分析展示了当应用程序读取文件时，内核如何利用pagecache进行预读，以及预读如何影响io调度和磁盘操作效率。作者还提供了调试技巧和相关参考文献。

1，背景

文件系统的目的很简单，就是将磁盘里的数据读取到用户进程指定的内存中。在linux内核实际的实现中，除了将指定位置的磁盘内容读取到page cache中之外，根据临近原则，还会比指定位置的内容多读取一些内容到内存中，提高代码的运行效率。

2，实验描述

首先我用如下命令创建了一个8k大小的文件：

dd if=/dev/zero of=file bs=8k count=1

同时，我运行一个应用程序，先读文件file的前4k数据，然后再读后4k的数据。代码如下：

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

main()
{
	int fd;
	char buf[4096];
	
	sleep(30); //run ./funtion.sh to trace this process
	fd = open("file", O_RDONLY);
	read(fd, buf, 4096);
	read(fd, buf, 4096);

	close(fd);
}

最后，我使用ftrace的function_graph来获取这两次read的代码运行路径，脚本如下：

#!/bin/bash

debugfs=/sys/kernel/debug
echo nop > $debugfs/tracing/current_tracer
echo 0 > $debugfs/tracing/tracing_on
echo `pidof read` > $debugfs/tracing/set_ftrace_pid
echo function_graph > $debugfs/tracing/current_tracer
echo vfs_read > $debugfs/tracing/set_graph_function
echo 1 > $debugfs/tracing/tracing_on

我期望的效果是，通过function_graph的trace log，在第一次vfs_read运行的时候，可以看到从磁盘读取数据的过程，读取数据的大小除了应用指定的4k之外，剩余的4k也会预读到page cache中，这里面会涉及到文件系统，bio，io调度器和磁盘驱动这几个软件模块。在第二次vfs_read的过程中，由于第一次的预读，第二次直接page cache命中，可以看出预读机制对效率的提高。

3，实验步骤：

./read （期间留了30秒时间运行脚本，准备ftrace环境）

sudo ./function.sh

cat /sys/kernel/debug/tracing/trace > 8k.txt

4，实验结果：

使用vi -S折叠打开8k.txt，可以看到里面有两个vfs_read的调用过程，其中第一次读文件的过程如下：

可以简单看出里面包含了一次io调度和进程切换。

第二次vfs_read的过程如下：

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