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 1.2 2003/06/17 04:37:01 dillon Exp $
  34 .\"
  35 .Dd December 22, 1998
  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.  The code implementing the
  48 VM Buffer abstraction is mostly concentrated in
  49 .Pa /usr/src/sys/kern/vfs_bio.c .
  50 .Pp
  51 One of the most important things to remember when dealing with buffer pointers
  52 (struct buf) is that the underlying pages are mapped directly from the buffer
  53 cache.  No data copying occurs in the scheme proper, though some filesystems
  54 such as UFS do have to copy a little when dealing with file fragments.  The
  55 second most important thing to remember is that due to the underlying page
  56 mapping, the b_data base pointer in a buf is always *page* aligned, not
  57 *block* aligned.  When you have a VM buffer representing some b_offset and
  58 b_size, the actual start of the buffer is (b_data + (b_offset & PAGE_MASK))
  59 and not just b_data.  Finally, the VM system's core buffer cache supports
  60 valid and dirty bits (m->valid, m->dirty) for pages in DEV_BSIZE chunks.  Thus
  61 a platform with a hardware page size of 4096 bytes has 8 valid and 8 dirty
  62 bits.  These bits are generally set and cleared in groups based on the device
  63 block size of the device backing the page.  Complete page's worth are often
  64 referred to using the VM_PAGE_BITS_ALL bitmask (i.e. 0xFF if the hardware page
  65 size is 4096).
  66 .Pp
  67 VM buffers also keep track of a byte-granular dirty range and valid range.
  68 This feature is normally only used by the NFS subsystem.  I'm not sure why it
  69 is used at all, actually, since we have DEV_BSIZE valid/dirty granularity
  70 within the VM buffer.  If a buffer dirty operation creates a 'hole',
  71 the dirty range will extend to cover the hole.  If a buffer validation
  72 operation creates a 'hole' the byte-granular valid range is left alone and
  73 will not take into account the new extension.  Thus the whole byte-granular
  74 abstraction is considered a bad hack and it would be nice if we could get rid
  75 of it completely.
  76 .Pp
  77 A VM buffer is capable of mapping the underlying VM cache pages into KVM in
  78 order to allow the kernel to directly manipulate the data associated with
  79 the (vnode,b_offset,b_size).  The kernel typically unmaps VM buffers the moment
  80 they are no longer needed but often keeps the 'struct buf' structure
  81 instantiated and even bp->b_pages array instantiated despite having unmapped
  82 them from KVM.  If a page making up a VM buffer is about to undergo I/O, the
  83 system typically unmaps it from KVM and replaces the page in the b_pages[]
  84 array with a placemarker called bogus_page.  The placemarker forces any kernel
  85 subsystems referencing the associated struct buf to re-lookup the associated
  86 page.  I believe the placemarker hack is used to allow sophisticated devices
  87 such as filesystem devices to remap underlying pages in order to deal with,
  88 for example, remapping a file fragment into a file block.
  89 .Pp
  90 VM buffers are used to track I/O operations within the kernel.  Unfortunately,
  91 the I/O implementation is also somewhat of a hack because the kernel wants
  92 to clear the dirty bit on the underlying pages the moment it queues the I/O
  93 to the VFS device, not when the physical I/O is actually initiated.  This
  94 can create confusion within filesystem devices that use delayed-writes because
  95 you wind up with pages marked clean that are actually still dirty.  If not
  96 treated carefully, these pages could be thrown away!  Indeed, a number of
  97 serious bugs related to this hack were not fixed until the 2.2.8/3.0 release.
  98 The kernel uses an instantiated VM buffer (i.e. struct buf) to placemark pages
  99 in this special state.  The buffer is typically flagged B_DELWRI.  When a
 100 device no longer needs a buffer it typically flags it as B_RELBUF.  Due to
 101 the underlying pages being marked clean, the B_DELWRI|B_RELBUF combination must
 102 be interpreted to mean that the buffer is still actually dirty and must be
 103 written to its backing store before it can actually be released.  In the case
 104 where B_DELWRI is not set, the underlying dirty pages are still properly
 105 marked as dirty and the buffer can be completely freed without losing that
 106 clean/dirty state information.  ( XXX do we have to check other flags in
 107 regards to this situation ??? ).
 108 .Pp
 109 The kernel reserves a portion of its KVM space to hold VM Buffer's data
 110 maps.  Even though this is virtual space (since the buffers are mapped
 111 from the buffer cache), we cannot make it arbitrarily large because
 112 instantiated VM Buffers (struct buf's) prevent their underlying pages in the
 113 buffer cache from being freed.  This can complicate the life of the paging
 114 system.
 115 .Pp
 116 .\" .Sh SEE ALSO
 117 .\" .Xr <fillmein> 9
 118 .Sh HISTORY
 119 The
 120 .Nm
 121 manual page was originally written by
 122 .An Matthew Dillon
 123 and first appeared in
 124 .Fx 3.1 ,
 125 December 1998.