share/man/man9/buf.9

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  30 .\" SUCH DAMAGE.
  31 .\"
  32 .\" $FreeBSD$
  33 .\"
  34 .Dd December 22, 1998
  35 .Dt BUF 9
  36 .Os
  37 .Sh NAME
  38 .Nm buf
  39 .Nd "kernel buffer I/O scheme used in FreeBSD VM system"
  40 .Sh DESCRIPTION
  41 The kernel implements a KVM abstraction of the buffer cache which allows it
  42 to map potentially disparate vm_page's into contiguous KVM for use by
  43 (mainly file system) devices and device I/O.
  44 This abstraction supports
  45 block sizes from DEV_BSIZE (usually 512) to upwards of several pages or more.
  46 It also supports a relatively primitive byte-granular valid range and dirty
  47 range currently hardcoded for use by NFS.
  48 The code implementing the
  49 VM Buffer abstraction is mostly concentrated in
  50 .Pa /usr/src/sys/kern/vfs_bio.c .
  51 .Pp
  52 One of the most important things to remember when dealing with buffer pointers
  53 (struct buf) is that the underlying pages are mapped directly from the buffer
  54 cache.
  55 No data copying occurs in the scheme proper, though some file systems
  56 such as UFS do have to copy a little when dealing with file fragments.
  57 The second most important thing to remember is that due to the underlying page
  58 mapping, the b_data base pointer in a buf is always *page* aligned, not
  59 *block* aligned.
  60 When you have a VM buffer representing some b_offset and
  61 b_size, the actual start of the buffer is (b_data + (b_offset & PAGE_MASK))
  62 and not just b_data.
  63 Finally, the VM system's core buffer cache supports
  64 valid and dirty bits (m->valid, m->dirty) for pages in DEV_BSIZE chunks.
  65 Thus
  66 a platform with a hardware page size of 4096 bytes has 8 valid and 8 dirty
  67 bits.
  68 These bits are generally set and cleared in groups based on the device
  69 block size of the device backing the page.
  70 Complete page's worth are often
  71 referred to using the VM_PAGE_BITS_ALL bitmask (i.e., 0xFF if the hardware page
  72 size is 4096).
  73 .Pp
  74 VM buffers also keep track of a byte-granular dirty range and valid range.
  75 This feature is normally only used by the NFS subsystem.
  76 I am not sure why it
  77 is used at all, actually, since we have DEV_BSIZE valid/dirty granularity
  78 within the VM buffer.
  79 If a buffer dirty operation creates a 'hole',
  80 the dirty range will extend to cover the hole.
  81 If a buffer validation
  82 operation creates a 'hole' the byte-granular valid range is left alone and
  83 will not take into account the new extension.
  84 Thus the whole byte-granular
  85 abstraction is considered a bad hack and it would be nice if we could get rid
  86 of it completely.
  87 .Pp
  88 A VM buffer is capable of mapping the underlying VM cache pages into KVM in
  89 order to allow the kernel to directly manipulate the data associated with
  90 the (vnode,b_offset,b_size).
  91 The kernel typically unmaps VM buffers the moment
  92 they are no longer needed but often keeps the 'struct buf' structure
  93 instantiated and even bp->b_pages array instantiated despite having unmapped
  94 them from KVM.
  95 If a page making up a VM buffer is about to undergo I/O, the
  96 system typically unmaps it from KVM and replaces the page in the b_pages[]
  97 array with a place-marker called bogus_page.
  98 The place-marker forces any kernel
  99 subsystems referencing the associated struct buf to re-lookup the associated
 100 page.
 101 I believe the place-marker hack is used to allow sophisticated devices
 102 such as file system devices to remap underlying pages in order to deal with,
 103 for example, re-mapping a file fragment into a file block.
 104 .Pp
 105 VM buffers are used to track I/O operations within the kernel.
 106 Unfortunately,
 107 the I/O implementation is also somewhat of a hack because the kernel wants
 108 to clear the dirty bit on the underlying pages the moment it queues the I/O
 109 to the VFS device, not when the physical I/O is actually initiated.
 110 This
 111 can create confusion within file system devices that use delayed-writes because
 112 you wind up with pages marked clean that are actually still dirty.
 113 If not
 114 treated carefully, these pages could be thrown away!
 115 Indeed, a number of
 116 serious bugs related to this hack were not fixed until the 2.2.8/3.0 release.
 117 The kernel uses an instantiated VM buffer (i.e., struct buf) to place-mark pages
 118 in this special state.
 119 The buffer is typically flagged B_DELWRI.
 120 When a
 121 device no longer needs a buffer it typically flags it as B_RELBUF.
 122 Due to
 123 the underlying pages being marked clean, the B_DELWRI|B_RELBUF combination must
 124 be interpreted to mean that the buffer is still actually dirty and must be
 125 written to its backing store before it can actually be released.
 126 In the case
 127 where B_DELWRI is not set, the underlying dirty pages are still properly
 128 marked as dirty and the buffer can be completely freed without losing that
 129 clean/dirty state information.
 130 (XXX do we have to check other flags in
 131 regards to this situation ???)
 132 .Pp
 133 The kernel reserves a portion of its KVM space to hold VM Buffer's data
 134 maps.
 135 Even though this is virtual space (since the buffers are mapped
 136 from the buffer cache), we cannot make it arbitrarily large because
 137 instantiated VM Buffers (struct buf's) prevent their underlying pages in the
 138 buffer cache from being freed.
 139 This can complicate the life of the paging
 140 system.
 141 .\" .Sh SEE ALSO
 142 .\" .Xr <fillmein> 9
 143 .Sh HISTORY
 144 The
 145 .Nm
 146 manual page was originally written by
 147 .An Matthew Dillon
 148 and first appeared in
 149 .Fx 3.1 ,
 150 December 1998.