Windows文件緩沖處理技術概述

陳亦欣 江漢大學 數學與計算機科學學院

1 Windows緩存管理器

緩存管理器是Windows系統(tǒng)中的一個組件，提供一個與I/O管理器、虛擬內存管理器和文件系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)的數據緩沖，這個緩沖在整個操作系統(tǒng)的存儲設備上保持一致。緩存管理器把可用內存空間分割為跟頁面一樣大的緩沖區(qū)，磁盤中的數據可讀入緩沖區(qū)，緩沖區(qū)數據可寫入磁盤。緩存管理器以及文件系統(tǒng)二者可互相調用，前者為后者提供一些調用，并發(fā)出IRP請求，后者則為前者注冊回調函數。

當有程序首次發(fā)出讀文件請求時，緩存管理器就把文件數據讀取到文件系統(tǒng)緩存之中，接著用戶態(tài)進程把緩沖區(qū)中的數據復制到自己的進程空間里；而當進程完成了自身的工作后，數據先被寫入文件系統(tǒng)緩存，最后再由緩存管理器將緩沖區(qū)中的數據寫回磁盤文件中。

由于被緩沖文件的一切I/O請求全部需要通過緩存管理器，對于緩存管理器的策略會根據用戶態(tài)進程的數據訪問模式的不同而進行調整。對于一個請求讀文件的應用程序，緩存管理器會預先將其請求之后的數據也讀入緩沖區(qū)，從而使得當應用程序接下來請求后面的數據時可以快速響應，縮短了等待時間。對于一個請求寫文件的應用程序，緩存管理器會將數據寫入緩沖區(qū)并保留一段時間暫時不寫入磁盤，延遲一段時間再將緩沖區(qū)數據一起寫入磁盤中。這樣就能使多個寫操作合并成為一次寫操作，更有效率，也降低了重復修改同一塊數據時對磁盤反復寫的負載。

2 緩沖文件讀寫

緩存管理器將文件映射到內存中實現緩沖文件數據。一個由用戶態(tài)進程發(fā)起的讀操作被I/O管理器傳遞到文件系統(tǒng)時，緩存管理器協(xié)同I/O管理器、虛擬內存管理器和文件系統(tǒng)共同工作，流程如下:

（1）用戶應用程序執(zhí)行一個讀操作，它使控制被轉移到內核中的I/O管理器中。

（2）I/O管理器使用IRP來把一個讀請求傳遞給合適的文件系統(tǒng)驅動。

（3）文件系統(tǒng)驅動接收到讀請求并發(fā)現是該讀操作是針對一個以緩沖方式打開的文件。如果緩沖尚未初始化，那么緩存管理器就會被文件系統(tǒng)驅動調用從而將其初始化。反過來，緩存管理器請求虛擬內存管理器為被緩存的文件創(chuàng)建一個文件映射（段對象）。

（4）文件系統(tǒng)驅動程序調用CcCopyRead將讀取請求傳遞給緩存管理器。緩存管理器此時負責將數據傳輸到用戶緩沖區(qū)的一系列必要步驟。

（5）緩存管理器檢查它的數據結構，以確定是否存在含有用戶所請求的字節(jié)范圍的文件的映射視圖。如果沒有映射視圖存在，則由緩存管理器創(chuàng)建一個。

（6）緩存管理器從映射視圖復制數據到用戶緩沖區(qū)。

（7）如果文件的映射視圖不在包含所需數據的物理頁中，則產生一個頁錯誤，且控制轉移到虛擬內存管理器。

（8）虛擬內存管理器為頁錯誤分配物理頁面，它們會被用來包含被請求的數據。然后通過I/O管理器向文件系統(tǒng)驅動發(fā)出一個非緩存分頁I/O讀操作。

（9）在接收到非緩沖的讀請求時，文件系統(tǒng)驅動程序創(chuàng)建一個相應的I / O請求從二級存儲介質獲取數據并將該I / O請求傳給較低層驅動程序。

（10）文件系統(tǒng)下的設備驅動程序從二級存儲（或通過網絡）得到數據并完成請求。

（11）文件系統(tǒng)驅動程序完成來自虛擬內存管理器的分頁I/O請求。

（12）導致頁錯誤的指令被重新執(zhí)行。

（13）緩存管理器完成從映射視圖到用戶緩沖區(qū)的復制操作。

（14）緩沖數據被復制到用戶緩沖區(qū)中后，緩存管理器將控制返回給文件系統(tǒng)驅動程序。這些數據也將為緩存管理器繼續(xù)保留在虛擬地址空間里。虛擬內存管理器能隨時將其從內存里拋棄。

（15）文件系統(tǒng)驅動完成由I/O管理器發(fā)送給它的原始IRP請求。

（16）I/O管理器完成用戶原始的讀取請求。

3 結束語

緩沖寫操作的步驟也要依照一定的順序來滿足寫入請求，和讀操作是基本類似的。Windows操作系統(tǒng)通過文件緩沖機制大大提高了系統(tǒng)文件的讀寫相應效率。

[1]方旺盛等.2004.一種基于文件緩沖方式的操作大數據量數據的方法[J]. 計算技術與自動化, 23(4).

[2]陳煒，曹斌.基于雙緩沖文件系統(tǒng)過濾驅動技術研究[J].信息安全與技術，2013，4(11)：44-47.