文件系统和裸块设备的page cache问题
Linux内核之旅 | 阿克曼
普通文件的address space
文件系统读取文件一般会使用do_generic_file_read()，mapping指向普通文件的address space。如果一个文件的某一块不在page cache中，在find_get_page函数中会创建一个page，并将这个page根据index插入到这个普通文件的address space中。这也是我们熟知的过程。
static ssize_t do_generic_file_read(struct file *filp, loff_t *ppos, struct iov_iter *iter, ssize_t written){ struct address_space *mapping = filp->f_mapping; struct inode *inode = mapping->host; struct file_ra_state *ra = &filp->f_ra; pgoff_t index; pgoff_t last_index; pgoff_t prev_index; unsigned long offset; /* offset into pagecache page */ unsigned int prev_offset; int error = 0; index = *ppos >> PAGE_CACHE_SHIFT; prev_index = ra->prev_pos >> PAGE_CACHE_SHIFT; prev_offset = ra->prev_pos & (PAGE_CACHE_SIZE-1); last_index = (*ppos + iter->count + PAGE_CACHE_SIZE-1) >> PAGE_CACHE_SHIFT; offset = *ppos & ~PAGE_CACHE_MASK; for (;;) { struct page *page; pgoff_t end_index; loff_t isize; unsigned long nr, ret; cond_resched();find_page: page = find_get_page(mapping, index); if (!page) { page_cache_sync_readahead(mapping, ra, filp, index, last_index - index); page = find_get_page(mapping, index); if (unlikely(page == NULL)) goto no_cached_page; } ......//此处省略约200行}块设备的address space
但是在读取文件系统元数据的时候，元数据对应的page会被加入到底层裸块设备的address space中。下面代码的bdev_mapping指向块设备的address space，调用find_get_page_flags()后，一个新的page（如果page不在这个块设备的address space）就被创建并且插入到这个块设备的address space。
static struct buffer_head *__find_get_block_slow(struct block_device *bdev, sector_t block){ struct inode *bd_inode = bdev->bd_inode; struct address_space *bd_mapping = bd_inode->i_mapping; struct buffer_head *ret = NULL; pgoff_t index; struct buffer_head *bh; struct buffer_head *head; struct page *page; int all_mapped = 1; index = block >> (PAGE_CACHE_SHIFT - bd_inode->i_blkbits); page = find_get_page_flags(bd_mapping, index, FGP_ACCESSED); if (!page) goto out; ......//此处省略几十行}两份缓存?
前面提到的情况是正常的操作流程，属于普通文件的page放在文件的address space，元数据对应的page放在块设备的address space中，大家井水不犯河水，和平共处。但是世事难料，总有一些不按套路出牌的家伙。文件系统在块设备上欢快的跑着，如果有人绕过文件系统，直接去操作块设备上属于文件的数据块，这会出现什么情况？如果这个数据块已经在普通文件的address space中，这次直接的数据块修改能够立马体现到普通文件的缓存中吗？
答案是直接修改块设备上块会新建一个对应这个块的page，并且这个page会被加到块设备的address space中。也就是同一个数据块，在其所属的普通文件的address space中有一个对应的page。同时，在这个块设备的address space中也会有一个与其对应的page，所有的修改都更新到这个块设备address space中的page上。除非重新从磁盘上读取这一块的数据，否则普通文件的文件缓存并不会感知这一修改。
实验
口说无凭，实践是检验真理的唯一标准。我在这里准备了一个实验，先将一个文件的数据全部加载到page cache中，然后直接操作块设备修改这个文件的数据块，再读取文件的内容，看看有没有被修改。
为了确认一个文件的数据是否在page cache中，我先介绍一个有趣的工具---vmtouch，这个工具可以显示出一个文件有多少内容已经被加载到page cache。大家可以在github上获取到它的源码，并自行编译安装
https://github.com/hoytech/vmtouch
现在开始我们的表演：
首先，我们找一个测试文件，就拿我家目录下的read.c来测试，这个文件的内容就是一些凌乱的c代码。
➜ ~ cat read.c
#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h> char buf[4096] = {0}; int main(int argc, char *argv[]){ int fd; if (argc != 2) { printf("argument error.\n"); return -1; } fd = open(argv[1], O_RDONLY); if (fd < 0) { perror("open failed:"); return -1; } read(fd, buf, 4096); //read(fd, buf, 4096); close(fd);}➜ ~ 接着运行vmtouch，看看这个文件是否在page cache中了，由于这个文件刚才被读取过，所以文件已经全部保存在page cache中了。
➜ ~ vmtouch read.c Files: 1 Directories: 0 Resident Pages: 1/1 4K/4K 100% Elapsed: 0.000133 seconds➜ ~ 然后我通过debugfs找到read.c的数据块，并且通过dd命令直接修改数据块。
Inode: 3945394 Type: regular Mode: 0644 Flags: 0x80000Generation: 659328746 Version: 0x00000000:00000001User: 0 Group: 0 Project: 0 Size: 386File ACL: 0Links: 1 Blockcount: 8Fragment: Address: 0 Number: 0 Size: 0 ctime: 0x5ad2f108:60154d80 -- Sun Apr 15 14:28:24 2018 atime: 0x5ad2f108:5db2f37c -- Sun Apr 15 14:28:24 2018 mtime: 0x5ad2f108:5db2f37c -- Sun Apr 15 14:28:24 2018crtime: 0x5ad2f108:5db2f37c -- Sun Apr 15 14:28:24 2018Size of extra inode fields: 32EXTENTS:(0):2681460 ➜ ~ dd if=/dev/zero of=/dev/sda2 seek=2681460 bs=4096 count=1 1+0 records in1+0 records out4096 bytes (4.1 kB, 4.0 KiB) copied, 0.000323738 s, 12.7 MB/s修改已经完成，我们看看直接读取这个文件会怎么样。
➜ ~ cat read.c #include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h> char buf[4096] = {0}; int main(int argc, char *argv[]){ int fd; if (argc != 2) { printf("argument error.\n"); return -1; } fd = open(argv[1], O_RDONLY); if (fd < 0) { perror("open failed:"); return -1; } read(fd, buf, 4096); //read(fd, buf, 4096); close(fd);} ➜ ~ vmtouch read.c Files: 1 Directories: 0 Resident Pages: 1/1 4K/4K 100% Elapsed: 0.00013 seconds文件依然在page cache中，所以我们还是能够读取到文件的内容。然而当我们drop cache以后，再读取这个文件，会发现文件内容被清空。
➜ ~ vmtouch read.c Files: 1 Directories: 0 Resident Pages: 1/1 4K/4K 100% Elapsed: 0.00013 seconds➜ ~ echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches ➜ ~ vmtouch read.c Files: 1 Directories: 0 Resident Pages: 0/1 0/4K 0% Elapsed: 0.000679 seconds➜ ~ cat read.c➜ ~ 总结
普通文件的数据可以保存在它的地址空间中，同时直接访问块设备中此文件的块，也会将这个文件的数据保存在块设备的地址空间中。这两份缓存相互独立，kernel并不会为这种非正常访问同步两份缓存，从而避免了同步的开销。
腾讯云开发者
