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 1.3 2004/12/22 05:53:09 hmp 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 and
  51 .Pa /usr/src/sys/sys/buf.h .
  52 .Pp
  53 One of the most important things to remember when dealing with buffer pointers
  54 (struct buf) is that the underlying pages are mapped directly from the buffer
  55 cache.  No data copying occurs in the scheme proper, though some filesystems
  56 such as UFS do have to copy a little when dealing with file fragments.  The
  57 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.  When you have a VM buffer representing some b_offset and
  60 b_size, the actual start of the buffer is (b_data + (b_offset & PAGE_MASK))
  61 and not just b_data.  Finally, the VM system's core buffer cache supports
  62 valid and dirty bits (m->valid, m->dirty) for pages in DEV_BSIZE chunks.  Thus
  63 a platform with a hardware page size of 4096 bytes has 8 valid and 8 dirty
  64 bits.  These bits are generally set and cleared in groups based on the device
  65 block size of the device backing the page.  Complete page's worth are often
  66 referred to using the VM_PAGE_BITS_ALL bitmask (i.e. 0xFF if the hardware page
  67 size is 4096).
  68 .Pp
  69 VM buffers also keep track of a byte-granular dirty range and valid range.
  70 This feature is normally only used by the NFS subsystem.  I'm not sure why it
  71 is used at all, actually, since we have DEV_BSIZE valid/dirty granularity
  72 within the VM buffer.  If a buffer dirty operation creates a 'hole',
  73 the dirty range will extend to cover the hole.  If a buffer validation
  74 operation creates a 'hole' the byte-granular valid range is left alone and
  75 will not take into account the new extension.  Thus the whole byte-granular
  76 abstraction is considered a bad hack and it would be nice if we could get rid
  77 of it completely.
  78 .Pp
  79 A VM buffer is capable of mapping the underlying VM cache pages into KVM in
  80 order to allow the kernel to directly manipulate the data associated with
  81 the (vnode,b_offset,b_size).  The kernel typically unmaps VM buffers the moment
  82 they are no longer needed but often keeps the 'struct buf' structure
  83 instantiated and even bp->b_pages array instantiated despite having unmapped
  84 them from KVM.  If a page making up a VM buffer is about to undergo I/O, the
  85 system typically unmaps it from KVM and replaces the page in the b_pages[]
  86 array with a placemarker called bogus_page.  The placemarker forces any kernel
  87 subsystems referencing the associated struct buf to re-lookup the associated
  88 page.  I believe the placemarker hack is used to allow sophisticated devices
  89 such as filesystem devices to remap underlying pages in order to deal with,
  90 for example, remapping a file fragment into a file block.
  91 .Pp
  92 VM buffers are used to track I/O operations within the kernel.  Unfortunately,
  93 the I/O implementation is also somewhat of a hack because the kernel wants
  94 to clear the dirty bit on the underlying pages the moment it queues the I/O
  95 to the VFS device, not when the physical I/O is actually initiated.  This
  96 can create confusion within filesystem devices that use delayed-writes because
  97 you wind up with pages marked clean that are actually still dirty.  If not
  98 treated carefully, these pages could be thrown away!  Indeed, a number of
  99 serious bugs related to this hack were not fixed until the 2.2.8/3.0 release.
 100 The kernel uses an instantiated VM buffer (i.e. struct buf) to placemark pages
 101 in this special state.  The buffer is typically flagged B_DELWRI.  When a
 102 device no longer needs a buffer it typically flags it as B_RELBUF.  Due to
 103 the underlying pages being marked clean, the B_DELWRI|B_RELBUF combination must
 104 be interpreted to mean that the buffer is still actually dirty and must be
 105 written to its backing store before it can actually be released.  In the case
 106 where B_DELWRI is not set, the underlying dirty pages are still properly
 107 marked as dirty and the buffer can be completely freed without losing that
 108 clean/dirty state information.  ( XXX do we have to check other flags in
 109 regards to this situation ??? ).
 110 .Pp
 111 The kernel reserves a portion of its KVM space to hold VM Buffer's data
 112 maps.  Even though this is virtual space (since the buffers are mapped
 113 from the buffer cache), we cannot make it arbitrarily large because
 114 instantiated VM Buffers (struct buf's) prevent their underlying pages in the
 115 buffer cache from being freed.  This can complicate the life of the paging
 116 system.
 117 .Pp
 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.