share/man/man9/buf.9

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  30 .\" SUCH DAMAGE.
  31 .\"
  32 .\" $FreeBSD: src/share/man/man9/buf.9,v 1.5.2.5 2001/12/17 11:30:18 ru Exp $
  33 .\" $DragonFly: src/share/man/man9/buf.9,v 1.5 2007/04/07 19:29:52 swildner Exp $
  34 .\"
  35 .Dd December 21, 2004
  36 .Dt BUF 9
  37 .Os
  38 .Sh NAME
  39 .Nm buf
  40 .Nd "kernel buffer I/O scheme used in FreeBSD VM system"
  41 .Sh DESCRIPTION
  42 The kernel implements a KVM abstraction of the buffer cache which allows it
  43 to map potentially disparate vm_page's into contiguous KVM for use by
  44 (mainly filesystem) devices and device I/O.  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 .Pp
  49 The code implementing the VM Buffer abstraction is mostly concentrated in
  50 .Pa /usr/src/sys/kern/vfs_bio.c
  51 and
  52 .Pa /usr/src/sys/sys/buf.h .
  53 .Pp
  54 One of the most important things to remember when dealing with buffer pointers
  55 (struct buf) is that the underlying pages are mapped directly from the buffer
  56 cache.  No data copying occurs in the scheme proper, though some filesystems
  57 such as UFS do have to copy a little when dealing with file fragments.  The
  58 second most important thing to remember is that due to the underlying page
  59 mapping, the b_data base pointer in a buf is always *page* aligned, not
  60 *block* aligned.  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.  Finally, the VM system's core buffer cache supports
  63 valid and dirty bits (m->valid, m->dirty) for pages in DEV_BSIZE chunks.  Thus
  64 a platform with a hardware page size of 4096 bytes has 8 valid and 8 dirty
  65 bits.  These bits are generally set and cleared in groups based on the device
  66 block size of the device backing the page.  Complete page's worth are often
  67 referred to using the VM_PAGE_BITS_ALL bitmask (i.e. 0xFF if the hardware page
  68 size is 4096).
  69 .Pp
  70 VM buffers also keep track of a byte-granular dirty range and valid range.
  71 This feature is normally only used by the NFS subsystem.  I'm not sure why it
  72 is used at all, actually, since we have DEV_BSIZE valid/dirty granularity
  73 within the VM buffer.  If a buffer dirty operation creates a 'hole',
  74 the dirty range will extend to cover the hole.  If a buffer validation
  75 operation creates a 'hole' the byte-granular valid range is left alone and
  76 will not take into account the new extension.  Thus the whole byte-granular
  77 abstraction is considered a bad hack and it would be nice if we could get rid
  78 of it completely.
  79 .Pp
  80 A VM buffer is capable of mapping the underlying VM cache pages into KVM in
  81 order to allow the kernel to directly manipulate the data associated with
  82 the (vnode,b_offset,b_size).  The kernel typically unmaps VM buffers the moment
  83 they are no longer needed but often keeps the 'struct buf' structure
  84 instantiated and even bp->b_pages array instantiated despite having unmapped
  85 them from KVM.  If a page making up a VM buffer is about to undergo I/O, the
  86 system typically unmaps it from KVM and replaces the page in the b_pages[]
  87 array with a placemarker called bogus_page.  The placemarker forces any kernel
  88 subsystems referencing the associated struct buf to re-lookup the associated
  89 page.  I believe the placemarker hack is used to allow sophisticated devices
  90 such as filesystem devices to remap underlying pages in order to deal with,
  91 for example, remapping a file fragment into a file block.
  92 .Pp
  93 VM buffers are used to track I/O operations within the kernel.  Unfortunately,
  94 the I/O implementation is also somewhat of a hack because the kernel wants
  95 to clear the dirty bit on the underlying pages the moment it queues the I/O
  96 to the VFS device, not when the physical I/O is actually initiated.  This
  97 can create confusion within filesystem devices that use delayed-writes because
  98 you wind up with pages marked clean that are actually still dirty.  If not
  99 treated carefully, these pages could be thrown away!  Indeed, a number of
 100 serious bugs related to this hack were not fixed until the 2.2.8/3.0 release.
 101 The kernel uses an instantiated VM buffer (i.e. struct buf) to placemark pages
 102 in this special state.  The buffer is typically flagged B_DELWRI.  When a
 103 device no longer needs a buffer it typically flags it as B_RELBUF.  Due to
 104 the underlying pages being marked clean, the B_DELWRI|B_RELBUF combination must
 105 be interpreted to mean that the buffer is still actually dirty and must be
 106 written to its backing store before it can actually be released.  In the case
 107 where B_DELWRI is not set, the underlying dirty pages are still properly
 108 marked as dirty and the buffer can be completely freed without losing that
 109 clean/dirty state information.  ( XXX do we have to check other flags in
 110 regards to this situation ??? ).
 111 .Pp
 112 The kernel reserves a portion of its KVM space to hold VM Buffer's data
 113 maps.  Even though this is virtual space (since the buffers are mapped
 114 from the buffer cache), we cannot make it arbitrarily large because
 115 instantiated VM Buffers (struct buf's) prevent their underlying pages in the
 116 buffer cache from being freed.  This can complicate the life of the paging
 117 system.
 118 .\" .Sh SEE ALSO
 119 .\" .Xr <fillmein> 9
 120 .Sh HISTORY
 121 The
 122 .Nm
 123 manual page was originally written by
 124 .An Matthew Dillon
 125 and first appeared in
 126 .Fx 3.1 ,
 127 December 1998.