一、读取一个文件的时候，操作系统发生了什么

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;}

分三部分分析bread函数：

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）。如果缓存失效，则调用ll_rw_block函数进行硬盘读取。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();}

继续分析ll_rw_block函数：

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。

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。

继续分析add_request函数：

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();}

不管是名列前茅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。

二、Linux IO栈

Linux IO栈是指一组相互协作的软件层，用于处理输入/输出（I/O）操作，主要有以下几层：

虚拟文件系统层：该层屏蔽了底层不同文件系统的差异性，向应用程序提供统一的文件IO接口。VFS支持三种类型的系统：基于磁盘的文件系统、网络文件系统、特殊文件系统。PageCache层：由于磁盘和内存之间存在巨大的差异，Linux内核添加了页缓存，把磁盘抽象成一个个大小固定的页。通过将部分页缓存到内存中来提高磁盘的性能。这点和将内存分配为页以将部分内存缓存到CPU Cache上的思路是一致的。映射层：映射层由多个文件系统以及块设备文件组成，主要完成计算逻辑块号和物理块号等操作。通用块层：和VFS类似，屏蔽底层不同设备驱动的差异性，提供统一的、首相的通用块层API。IO调度层：IO调度层介于通用块层和块设备驱动层之间，主要是为了减少磁盘IO次数，增大磁盘整体吞吐量。IO调度层会将多个读写请求进行排序和合并，提供多种算法来适应不同的场景。块设备驱动层：提供对物理块设备（磁盘等）的驱动程序。每类物理块设备都需要对应的驱动程序。物理设备层：物理磁盘设备。

在Linux整个IO栈中，可以看出整体都采用了封装的思想：经过内核的层层封装，抹平了不同物理设备之间的差异，提供给应用程序的则是跨越不同底层设备都通用的API。同时，栈中还加入了诸如PageCache层和IO调度层等来增加IO效率和性能。在我之前简单学习CPU时，就了解了CPU为了快速执行指令所采取的多级流水线架构和超标量架构等，在这次对IO栈的学习中也了解到了IO栈对IO性能的优化。

延伸阅读1：操作系统写入文件的过程

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。