[原创] PageCache详细分析(读写/写回) 基于 Linux 6.12.32版本-Pwn-看雪安全社区

[原创] PageCache详细分析(读写/写回) 基于 Linux 6.12.32版本

发表于: 2025-12-4 17:04 15471

[原创] PageCache详细分析(读写/写回) 基于 Linux 6.12.32版本

Elenia

2025-12-4 17:04

15471

> 参考文章:
>
> 总览(概念上讲解):530K9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6*7K9s2g2S2L8X3I4S2L8W2)9J5k6i4A6Z5K9h3S2#2i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3M7q4)9J5c8U0b7K6y4U0x3I4x3K6V1H3z5l9`.`. 
>
> PageCache的产生释放及优化:6f7K9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6%4N6%4N6Q4x3X3g2U0L8X3u0D9L8$3N6K6i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3M7$3!0X3N6r3y4D9L8%4g2V1i4K6u0r3M7q4)9J5c8U0p5$3y4U0b7&6x3K6t1$3i4K6u0W2K9s2c8E0L8l9`.`.
>
> address_space结构解析：df3K9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6*7K9s2g2S2L8X3I4S2L8W2)9J5k6i4A6Z5K9h3S2#2i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3M7q4)9J5c8U0f1@1x3o6R3H3y4U0R3%4y4R3`.`.
>
> xarray详细解释（很厉害）:84aK9s2c8@1M7s2y4Q4x3@1q4Q4x3V1k6Q4x3V1k6*7K9s2g2S2L8X3I4S2L8W2)9J5k6i4A6Z5K9h3S2#2i4K6u0W2j5$3!0E0i4K6u0r3M7q4)9J5c8U0f1^5y4K6p5^5y4o6j5J5x3H3`.`.

本文较长，过程较为详细，请耐心阅读。本人水平有限，如果出现什么错误，请各位大佬指出。

## 版本说明

> 本文分析的版本均为: Linux6.12.32

## 核心数据结构

### FGP Flags

```C++
#define FGP_ACCESSED            ((__force fgf_t)0x00000001)
#define FGP_LOCK                ((__force fgf_t)0x00000002)
#define FGP_CREAT               ((__force fgf_t)0x00000004)
#define FGP_WRITE               ((__force fgf_t)0x00000008)
#define FGP_NOFS                ((__force fgf_t)0x00000010)
#define FGP_NOWAIT              ((__force fgf_t)0x00000020)
#define FGP_FOR_MMAP            ((__force fgf_t)0x00000040)
#define FGP_STABLE              ((__force fgf_t)0x00000080)
#define FGF_GET_ORDER(fgf)      (((__force unsigned)fgf) >> 26) /* top 6 bits */

#define FGP_WRITEBEGIN          (FGP_LOCK | FGP_WRITE | FGP_CREAT | FGP_STABLE)
```

- FGP_ACCESSED: 标记页面为已访问（用于LRU）
- FGP_LOCK: 返回时页面已加锁
- FGP_CREAT: 未命中时创建新页面
- FGP_WRITE: 用于写入操作
- FGP_NOFS: 清除 __GFP_FS（避免递归文件系统操作）
- FGP_NOWAIT: 非阻塞模式，加锁失败返回 -EAGAIN
- FGP_FOR_MMAP: mmap场景，创建后解锁
- FGP_STABLE: 等待页面稳定（写回完成）

### address_space

```C++
struct address_space {
    struct inode        *host;              // 指向所属的inode
    struct xarray       i_pages;            // XArray：存储页缓存的radix tree
    struct rw_semaphore invalidate_lock;    // 保护页面失效操作的读写锁
    gfp_t           gfp_mask;           // 页面分配的内存标志
    atomic_t        i_mmap_writable;     // 可写内存映射计数
    struct rb_root_cached   i_mmap;            // 内存映射的RB树（用于跟踪VMA）
    unsigned long       nrpages;            // 页缓存中的页面总数
    pgoff_t         writeback_index;     // 写回操作的起始索引
    const struct address_space_operations *a_ops;  // 地址空间操作函数集
    unsigned long       flags;              // 标志位（AS_*）
    errseq_t        wb_err;             // 写回错误序列号
    spinlock_t      i_private_lock;      // 私有数据保护锁
    struct list_head    i_private_list;      // 私有数据链表
    struct rw_semaphore i_mmap_rwsem;       // 保护i_mmap的读写锁
    void *          i_private_data;      // 文件系统私有数据指针
}
```

- host: 指向所属 inode，建立双向关联
- i_pages: XArray，存储页缓存页面的 radix tree
  - 键：页面索引（pgoff_t）
  - 值：folio/page 指针
  - 标志：XA_FLAGS_LOCK_IRQ（IRQ 安全）、XA_FLAGS_ACCOUNT（内存统计）
- invalidate_lock: 保护页面失效操作，防止与 I/O 并发
- i_mmap: RB 树，记录该文件的所有内存映射（VMA）
- a_ops: 地址空间操作函数集，文件系统可自定义
- nrpages: 页缓存页面总数，用于统计和限制
- writeback_index: 写回起始索引，支持断点续写

### Xarray

> I_pages 的数据结构,用于管理PagesCaches。
>
> XArray 是基于 Radix Tree（基数树）的实现。在 Linux 内核中 xarray 相比于树使用体验感更类似于一个无限增长的数组。

#### Xarray 根结构

```C++
struct xarray {
        spinlock_t      xa_lock;
/* private: The rest of the data structure is not to be used directly. */
        gfp_t           xa_flags;
        void __rcu *    xa_head;
};
```

- xa_lock: 保护 XArray 的锁（IRQ 安全）
- xa_flags: 标志（如 XA_FLAGS_LOCK_IRQ、XA_FLAGS_ACCOUNT）
- xa_head: 指向根节点或直接条目（RCU 指针）

#### 常量

```C
#ifndef XA_CHUNK_SHIFT
#define XA_CHUNK_SHIFT (IS_ENABLED(CONFIG_BASE_SMALL) ? 4 : 6)
#endif
#define XA_CHUNK_SIZE (1UL << XA_CHUNK_SHIFT)
#define XA_CHUNK_MASK (XA_CHUNK_SIZE - 1)
```

- XA_CHUNK_SHIFT: 通常为 6（64 位系统）
- XA_CHUNK_SIZE: 64（表示了一个xa_node节点可以表示的最大数量槽位)
- XA_CHUNK_MASK: 63（0x3F，用于取模）

#### 数据结构

```C
XArray树结构（3级示例）：

xa_head
                      │
                      ▼
                  [xa_node (shift=12)]
                      │
        ┌─────────────┼─────────────┐
        │             │             │
    slots[0]      slots[1]      slots[2]
        │             │             │
        ▼             ▼             ▼
   [xa_node]      [xa_node]      NULL
   (shift=6)      (shift=6)
        │             │
    ┌───┼───┐     ┌───┼───┐
    │   │   │     │   │   │
 slots[0] slots[1] slots[2] slots[3]
    │   │   │     │   │   │
    ▼   ▼   ▼     ▼   ▼   ▼
  folio folio folio folio folio
   (0)   (1)   (2)   (3)   (4)

索引计算：
- index = 0: 0 >> 12 = 0, 0 >> 6 = 0, 0 & 63 = 0 → slots[0][0]
- index = 1: 1 >> 12 = 0, 1 >> 6 = 0, 1 & 63 = 1 → slots[0][1]
- index = 64: 64 >> 12 = 0, 64 >> 6 = 1, 64 & 63 = 0 → slots[1][0]
```

#### Node 结构

```C++
struct xa_node {
    unsigned char   shift;      /* Bits remaining in each slot */
    unsigned char   offset;     /* Slot offset in parent */
    unsigned char   count;      /* Total entry count */
    unsigned char   nr_values;  /* Value entry count */
    struct xa_node __rcu *parent;   /* NULL at top of tree */
    struct xarray   *array;     /* The array we belong to */
    union {
        struct list_head private_list;  /* For tree user */
        struct rcu_head rcu_head;   /* Used when freeing node */
    };
    void __rcu  *slots[XA_CHUNK_SIZE];
    union {
        unsigned long   tags[XA_MAX_MARKS][XA_MARK_LONGS];
        unsigned long   marks[XA_MAX_MARKS][XA_MARK_LONGS];
    };
};
```

- shift: 该层级剩余的位数（决定该节点覆盖的索引范围）
  - shift = 0: 叶子节点，直接存储条目
  - shift = 6: 覆盖 64 个索引（2^6 = 64）
  - shift = 12: 覆盖 4096 个索引（2^12 = 4096）
  - shift = 18: 覆盖 262144 个索引（2^18 = 262144）
- offset: 在父节点中的槽位偏移
- count: 非 NULL 槽位总数
- nr_values: 值条目数量
- parent: 父节点指针（根节点为 NULL）
- array: 所属的 XArray
- slots[]: 64 个槽位数组（每个槽位可指向子节点或条目），这里较为复杂，后文详细解释。
- marks[]: 标记位图（用于 DIRTY、WRITEBACK 等）

### Entry

> Node 中 slots 存放的 Entry ，有三种基本类型。
>
> - Pointer Entry
> - Internal Enrty
> - Value Entry

```C
Entry (void *)
│
├─ [00] Pointer Entry (普通指针条目)
│   ├─ NULL Entry (空指针)
│   └─ 普通指针 (指向实际数据对象)
│
├─ [10] Internal Entry (内部条目)
│   ├─ Node Pointer (>4096)
│   ├─ Sibling Entry (0-62)
│   ├─ Retry Entry (256)
│   ├─ Zero Entry (257)
│   └─ Error Entry (-4094 ~ -2)
│
└─ [x1] Value Entry (值条目)
    ├─ 纯值条目 (低1位=1, 低2位=01)
    └─ Tagged Pointer (低2位=11)
```

#### Pointer Entry(低两位为 00)

##### Null Enrty

```C
// NULL指针本身就是NULL entry
void *entry = NULL;
```

##### 普通指针

> 指向实际数据或子节点。

```C
// 示例：指向struct folio的指针
void *entry = folio;  // 低2位 = 00
```

#### Internal Enrty(低两位为10)

##### 转化函数

```C
static inline void *xa_mk_node(const struct xa_node *node)
{
    return (void *)((unsigned long)node | 2);
}

/* Private */
static inline struct xa_node *xa_to_node(const void *entry)
{
    return (struct xa_node *)((unsigned long)entry - 2);
}
```

##### Node Pointer:

> 指向下一层 xa_node

- 编码：xa_mk_internal(v)，其中 v > 1024（实际检查 > 4096）

```C++
static inline bool xa_is_node(const void *entry)
{
    return xa_is_internal(entry) && (unsigned long)entry > 4096;
}
```

##### Slibling Entry(兄弟条目)

- 大页面（multi-index entry）时，多个索引共享同一 folio
- 编码：xa_mk_internal(offset)，offset 范围 0-62

```C
假设一个64KB的大页面（order=4），占用16个4KB页面的索引：

索引100-115都指向同一个folio

存储方式:
  i_pages[100] = folio指针  ← 规范槽位（canonical slot）
  i_pages[101] = sibling(100)  ← 指向槽位100
  i_pages[102] = sibling(100)
  ...
  i_pages[115] = sibling(100)

查找索引103时:
 xas_descend() → 发现sibling(100)
 → 跳转到槽位100 → 返回folio指针
// 创建函数
static inline void *xa_mk_sibling(unsigned int offset)
{
 return xa_mk_internal(offset);
}
// 识别函数
static inline bool xa_is_sibling(const void *entry)
{
 return IS_ENABLED(CONFIG_XARRAY_MULTI) && xa_is_internal(entry) &&
 (entry < xa_mk_sibling(XA_CHUNK_SIZE - 1));
}
// 提取函数
static inline unsigned long xa_to_sibling(const void *entry)
{
 return xa_to_internal(entry);
}
```

##### Retry Entry (重试条目)

> 标记节点正在被修改或即将释放，提示 RCU 读者重试

- 编码：XA_RETRY_ENTRY = xa_mk_internal(256)

1. 节点删除时替换 slot
2. 多索引遍历时遇到节点指针

```C++
#define XA_RETRY_ENTRY      xa_mk_internal(256)

/**
 * xa_is_retry() - Is the entry a retry entry?
 * @entry: Entry retrieved from the XArray
 *
 * Return: %true if the entry is a retry entry.
 */
static inline bool xa_is_retry(const void *entry)
{
    return unlikely(entry == XA_RETRY_ENTRY);
}
```

##### Zero Entry (零条目)

- 功能：预留索引，表示“已分配但值为 NULL”
- 编码：XA_ZERO_ENTRY = xa_mk_internal(257)

```C++
#define XA_ZERO_ENTRY       xa_mk_internal(257)

/**
 * xa_is_zero() - Is the entry a zero entry?
 * @entry: Entry retrieved from the XArray
 *
 * The normal API will return NULL as the contents of a slot containing
 * a zero entry.  You can only see zero entries by using the advanced API.
 *
 * Return: %true if the entry is a zero entry.
 */
static inline bool xa_is_zero(const void *entry)
{
    return unlikely(entry == XA_ZERO_ENTRY);
}
static inline __must_check
int xa_reserve(struct xarray *xa, unsigned long index, gfp_t gfp)
{
    return xa_err(xa_cmpxchg(xa, index, NULL, XA_ZERO_ENTRY, gfp));
}
```

##### Error Entry(错误条目)

- 功能：表示操作错误（如 ENOMEM）
- 编码：xa_mk_internal(负数)，范围 -4094 到 -2

```C++
static inline bool xa_is_err(const void *entry)
{
    return unlikely(xa_is_internal(entry) &&
            entry >= xa_mk_internal(-MAX_ERRNO));
}
```

#### Value Entry(第一位为1)

> 值条目，用于存储 swap/shadow 条目或标记指针。

- 场景：内存不足时，Page Cache 中的页面被回收，但需要记录“这里曾经有页面”。
  - 编码紧凑，可携带回收时间、节点ID、memcg ID 等信息

##### Value Entry(纯值条目)

- 功能：存储整数值而非指针

```C++
static inline void *xa_mk_value(unsigned long v)
{
 WARN_ON((long)v < 0);
 return (void *)((v << 1) | 1);
}

/**
 * xa_to_value() - Get value stored in an XArray entry.
 * @entry: XArray entry.
 *
 * Context: Any context.
 * Return: The value stored in the XArray entry.
 */
static inline unsigned long xa_to_value(const void *entry)
{
    return (unsigned long)entry >> 1;
}

/**
 * xa_is_value() - Determine if an entry is a value.
 * @entry: XArray entry.
 *
 * Context: Any context.
 * Return: True if the entry is a value, false if it is a pointer.
 */
static inline bool xa_is_value(const void *entry)
{
    return (unsigned long)entry & 1;
}
// 列子
// 创建值条目
void *entry = xa_mk_value(123);  // 将整数123编码为值条目
// 提取值
unsigned long value = xa_to_value(entry);  // 返回123
// 判断是否为值条目
if (xa_is_value(entry)) {
    // 这是值条目，不是指针
}
```

##### Tagged Pointer(标记指针)

- 功能：在指针上附加标记位（0、1 或 3）

### PerBDI

> 现代Linux内核中，bdflush已被per-BDI（Backing Device Info）的写回线程替代。每个BDI有一个或多个bdi_writeback结构，每个bdi_writeback对应一个写回线程（通过workqueue实现）。通过这个机制来负责的 Linux 的脏数据回写。

#### bdi_writeback （核心数据结构）

```C++
struct bdi_writeback {
        struct backing_dev_info *bdi;   /* our parent bdi */

unsigned long state;            /* Always use atomic bitops on this */
        unsigned long last_old_flush;   /* last old data flush */

struct list_head b_dirty;       /* dirty inodes */
        struct list_head b_io;          /* parked for writeback */
        struct list_head b_more_io;     /* parked for more writeback */
        struct list_head b_dirty_time;  /* time stamps are dirty */
        spinlock_t list_lock;           /* protects the b_* lists */

atomic_t writeback_inodes;      /* number of inodes under writeback */
        struct percpu_counter stat[NR_WB_STAT_ITEMS];

unsigned long bw_time_stamp;    /* last time write bw is updated */
        unsigned long dirtied_stamp;
        unsigned long written_stamp;    /* pages written at bw_time_stamp */
        unsigned long write_bandwidth;  /* the estimated write bandwidth */
        unsigned long avg_write_bandwidth; /* further smoothed write bw, > 0 */

/*
         * The base dirty throttle rate, re-calculated on every 200ms.
         * All the bdi tasks' dirty rate will be curbed under it.
         * @dirty_ratelimit tracks the estimated @balanced_dirty_ratelimit
         * in small steps and is much more smooth/stable than the latter.
         */
        unsigned long dirty_ratelimit;
        unsigned long balanced_dirty_ratelimit;

struct fprop_local_percpu completions;
        int dirty_exceeded;
        enum wb_reason start_all_reason;

spinlock_t work_lock;           /* protects work_list & dwork scheduling */
        struct list_head work_list;
        struct delayed_work dwork;      /* work item used for writeback */
        struct delayed_work bw_dwork;   /* work item used for bandwidth estimate */

struct list_head bdi_node;      /* anchored at bdi->wb_list */

#ifdef CONFIG_CGROUP_WRITEBACK
        struct percpu_ref refcnt;       /* used only for !root wb's */
        struct fprop_local_percpu memcg_completions;
        struct cgroup_subsys_state *memcg_css; /* the associated memcg */
        struct cgroup_subsys_state *blkcg_css; /* and blkcg */
        struct list_head memcg_node;    /* anchored at memcg->cgwb_list */
        struct list_head blkcg_node;    /* anchored at blkcg->cgwb_list */
        struct list_head b_attached;    /* attached inodes, protected by list_lock */
        struct list_head offline_node;  /* anchored at offline_cgwbs */

union {
                struct work_struct release_work;
                struct rcu_head rcu;
        };
#endif
};
```

- b_dirty: 脏inode列表
- b_io: 待写回的inode列表
- b_more_io: 需要更多IO的inode列表
- b_dirty_time: 仅时间戳脏的inode列表
- work_list: 待处理的写回工作列表
- dwork: 延迟工作项，绑定到wb_workfn
- work_lock: 保护work_list和dwork调度的锁

#### wb_writeback_work 写回工作任务

```C++
struct wb_writeback_work {
    long nr_pages;
    struct super_block *sb;
    enum writeback_sync_modes sync_mode;
    unsigned int tagged_writepages:1;
    unsigned int for_kupdate:1;
    unsigned int range_cyclic:1;
    unsigned int for_background:1;
    unsigned int for_sync:1;    /* sync(2) WB_SYNC_ALL writeback */
    unsigned int auto_free:1;   /* free on completion */
    enum wb_reason reason;      /* why was writeback initiated? */

struct list_head list;      /* pending work list */
    struct wb_completion *done; /* set if the caller waits */
};
```

- nr_pages: 要写回的页面数
- sync_mode: 同步模式（WB_SYNC_ALL或WB_SYNC_NONE）
- for_background: 是否为后台写回
- for_sync: 是否为同步操作
- reason: 写回原因（如WB_REASON_PERIODIC、WB_REASON_VMSCAN等）
- list: 链接到wb->work_list

## PageCaches 生命周期

```Bash
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. 创建阶段（Creation）                                          │
│                                                                 │
│   文件系统挂载/创建文件/打开文件                                │
│   └─> alloc_inode()                                            │
│       └─> kmem_cache_alloc(ext4_inode_cachep)                  │
│           └─> init_once() [slab构造函数]                       │
│               └─> inode_init_once()                              │
│                   └─> __address_space_init_once()              │
│                       └─> xa_init_flags(&i_pages, ...)         │
│                           └─> i_pages初始化（空XArray）        │
│                                                                 │
│   └─> inode_init_always()                                      │
│       └─> 初始化address_space其他字段                           │
│           └─> mapping->a_ops = &empty_aops                     │
│           └─> mapping->host = inode                            │
│           └─> nrpages = 0                                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 2. 使用阶段（Usage）                                            │
│                                                                 │
│   文件读取：                                                     │
│   └─> filemap_fault() / filemap_read()                         │
│       └─> filemap_get_folio()                                  │
│           └─> 在i_pages中查找page                               │
│               ├─> 命中：直接返回                                │
│               └─> 未命中：                                      │
│                   └─> __filemap_get_folio(FGP_CREAT)           │
│                       └─> 分配新page                            │
│                       └─> a_ops->read_folio()                  │
│                           └─> 从磁盘读取数据                    │
│                       └─> __filemap_add_folio()                │
│                           └─> xas_store(&i_pages, folio)       │
│                               └─> page加入i_pages               │
│                               └─> nrpages++                    │
│                                                                 │
│   文件写入：                                                     │
│   └─> generic_perform_write()                                   │
│       └─> write_begin()                                        │
│           └─> grab_cache_page_write_begin()                    │
│               └─> 查找或创建page                                │
│       └─> 写入数据到page                                        │
│       └─> write_end()                                          │
│           └─> mark_page_dirty()                                │
│               └─> 标记page为DIRTY                               │
│                                                                 │
│   页缓存管理：                                                   │
│   ├─> 查找：xa_load(&i_pages, index)                           │
│   ├─> 添加：xas_store(&i_pages, folio)                         │
│   ├─> 删除：xas_store(&i_pages, NULL)                          │
│   └─> 标记：xa_set_mark(&i_pages, index, PAGECACHE_TAG_DIRTY) │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 3. 回收阶段（Reclaim）                                          │
│                                                                 │
│   内存压力触发：                                                 │
│   └─> kswapd / direct reclaim                                  │
│       └─> shrink_node()                                        │
│           └─> shrink_inode_list()                              │
│               └─> inode->i_mapping->a_ops->invalidate_folio()    │
│                   └─> 从i_pages中移除page                       │
│                   └─> nrpages--                                │
│                                                                 │
│   文件删除/截断：                                                │
│   └─> truncate_inode_pages()                                    │
│       └─> 遍历i_pages，删除所有page                             │
│           └─> nrpages = 0                                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 4. 销毁阶段（Destruction）                                      │
│                                                                 │
│   inode引用计数降为0：                                           │
│   └─> iput(inode)                                              │
│       └─> iput_final()                                         │
│           └─> evict()                                          │
│               └─> clear_inode()                                │
│                   └─> truncate_inode_pages_final()            │
│                       └─> 清空i_pages中的所有page               │
│                   └─> 等待i_pages锁                             │
│               └─> destroy_inode()                               │
│                   └─> kmem_cache_free(ext4_inode_cachep)       │
│                       └─> i_pages随inode一起释放                │
│                                                                 │
│   注意：i_pages本身是inode结构的一部分，                        │
│   不需要单独释放                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

## address_space的创建初始化

Address_space 的创建(除 Swap Cache)主要分为两个板块(核心函数 alloc_inode)

- ops->alloc_inode(sb) 或 alloc_inode_sb() 分配 inode 结构体,并且调用 inode_init_once 初始化 inode 以及 i_data( address_space)
- 后调用 inode_init_always_gfp 初始化 address_space 的其他属性（初始化 address_space 的运行时属性）

```C
alloc_inode(sb)
  │
  ├─> ops->alloc_inode(sb) 或 alloc_inode_sb()
  │   └─> kmem_cache_alloc(ext4_inode_cachep, GFP_KERNEL)
  │       │
  │       └─> [slab分配器内部]
  │           └─> 如果是新分配的对象：
  │               └─> init_once(foo)  [slab构造函数]
  │                   └─> inode_init_once(inode)
  │                       ├─> memset(inode, 0, ...)  // 清零整个结构体
  │                       ├─> 初始化各种链表头
  │                       └─> __address_space_init_once(&inode->i_data)
  │                           └─> xa_init_flags(&mapping->i_pages, ...)  // ✅ i_pages初始化
  │
  └─> inode_init_always(sb, inode)
      └─> inode_init_always_gfp(sb, inode, GFP_NOFS)
          ├─> 初始化inode基础字段
          └─> 初始化address_space运行时属性
              ├─> mapping->a_ops = &empty_aops
              ├─> mapping->host = inode
              ├─> mapping_set_gfp_mask(...)
              └─> inode->i_mapping = mapping
```

### 调用链

> 路径1/2/3简述是下放的调用链

```C
场景1：ext4文件系统挂载，创建根inode
  └─> ext4_iget(sb, EXT4_ROOT_INO, ...)
      └─> iget_locked(sb, ino)
          └─> alloc_inode(sb)
              └─> ext4_alloc_inode()
                  └─> kmem_cache_alloc(ext4_inode_cachep)
                      └─> init_once()被调用（slab构造函数）
                          └─> inode_init_once()
                              └─> __address_space_init_once()
                                  └─> xa_init_flags(&i_pages, ...)  // i_pages初始化
              
              └─> inode_init_always(sb, inode)
                  └─> inode_init_always_gfp()
                      └─> 初始化address_space其他字段
                          ├─> mapping->a_ops = &empty_aops
                          ├─> mapping->host = inode
                          ├─> mapping_set_gfp_mask(...)
                          └─> inode->i_mapping = mapping

场景2：创建新文件
  └─> ext4_new_inode()
      └─> new_inode(sb)
          └─> alloc_inode(sb)
              └─> 同上，init_once()初始化i_pages
              └─> inode_init_always()初始化其他字段

场景3：打开已存在文件
  └─> ext4_iget()
      └─> iget_locked()
          └─> 如果inode不在缓存中：
              └─> alloc_inode()
                  └─> 同上流程
```

#### 路径1:文件系统挂载时创建根 inode（以 ext4 为例）

核心主要是调用到:inode_init_always函数

注意：inode_init_always_gfp 只初始化了 address_space 的基础字段，i_pages 的初始化在 inode_init_once() 中完成。

```Java
内核启动
  └─> mount系统调用
      └─> do_mount() [fs/namespace.c]
          └─> path_mount() [fs/namespace.c]
              └─> do_new_mount() [fs/namespace.c]
                  └─> vfs_get_tree() [fs/super.c]
                      └─> ext4_get_tree() [fs/ext4/super.c]
                          └─> get_tree_bdev() [fs/super.c]
                              └─> ext4_fill_super() [fs/ext4/super.c]
                                  ├─> 读取超级块、组描述符等元数据
                                  ├─> 初始化日志系统
                                  └─> ext4_iget(sb, EXT4_ROOT_INO, EXT4_IGET_SPECIAL)
                                      └─> __ext4_iget() [fs/ext4/inode.c:4779]
                                          └─> iget_locked(sb, ino) [fs/inode.c:1403]
                                              ├─> alloc_inode(sb) [fs/inode.c:261]
                                              │   └─> ext4_alloc_inode() [fs/ext4/super.c]
                                              │       └─> kmem_cache_alloc(ext4_inode_cachep)
                                              │           └─> 从slab分配器分配ext4_inode_info结构
                                              │               └─> 包含内嵌的struct inode
                                              │                   └─> 此时inode->i_data还未初始化
                                              │
                                              └─> inode_init_always(sb, inode) [fs/inode.c:158]
                                                  └─> inode_init_always_gfp(sb, inode, GFP_NOFS)
                                                      ├─> mapping = &inode->i_data
                                                      ├─> mapping->a_ops = &empty_aops
                                                      ├─> mapping->host = inode
                                                      ├─> mapping_set_gfp_mask(mapping, GFP_HIGHUSER_MOVABLE)
                                                      ├─> init_rwsem(&mapping->invalidate_lock)
                                                      └─> inode->i_mapping = mapping
                                                          └─> 注意：此时i_pages还未初始化！
                                              
                                              └─> 设置I_NEW标志，加入inode哈希表
                                              
                                              └─> __ext4_iget()继续执行
                                                  ├─> __ext4_get_inode_loc_noinmem()
                                                  │   └─> 从磁盘读取inode元数据
                                                  ├─> 填充inode的各个字段
                                                  └─> unlock_new_inode(inode)
                                                      └─> 清除I_NEW标志，唤醒等待者
```

#### 路径2:创建新文件时创建 inode

```C
用户空间：open("newfile", O_CREAT)
  └─> open系统调用
      └─> do_sys_open() [fs/open.c]
          └─> do_filp_open() [fs/namei.c]
              └─> path_openat() [fs/namei.c]
                  └─> do_open() [fs/namei.c]
                      └─> vfs_create() [fs/namei.c]
                          └─> ext4_create() [fs/ext4/namei.c]
                              └─> ext4_new_inode_start_handle() [fs/ext4/namei.c]
                                  └─> __ext4_new_inode() [fs/ext4/ialloc.c:924]
                                      ├─> new_inode(sb) [fs/inode.c:1121]
                                      │   └─> new_inode_pseudo(sb)
                                      │       └─> alloc_inode(sb)
                                      │           └─> ext4_alloc_inode()
                                      │               └─> kmem_cache_alloc(ext4_inode_cachep)
                                      │                   └─> 分配时调用init_once回调
                                      │                       └─> inode_init_once() [fs/inode.c:424]
                                      │                           └─> __address_space_init_once(&inode->i_data)
                                      │                               └─> xa_init_flags(&mapping->i_pages, XA_FLAGS_LOCK_IRQ | XA_FLAGS_ACCOUNT)
                                      │                                   └─> i_pages初始化完成！
                                      │
                                      └─> inode_init_always(sb, inode)
                                          └─> 初始化address_space的其他字段
```

#### 路径3:打开已经存在的文件时创建 inode

```C
用户空间：open("existing_file", O_RDONLY)
  └─> open系统调用
      └─> do_sys_open()
          └─> do_filp_open()
              └─> path_openat()
                  └─> do_open()
                      └─> vfs_open()
                          └─> d_inode(path->dentry)
                              └─> 如果inode不在缓存中：
                                  └─> ext4_lookup() [fs/ext4/namei.c]
                                      └─> ext4_iget(sb, ino, EXT4_IGET_NORMAL)
                                          └─> __ext4_iget()
                                              └─> iget_locked(sb, ino)
                                                  └─> alloc_inode(sb)
                                                      └─> 同上，通过slab分配器分配
                                                          └─> inode_init_once()被调用
                                                              └─> i_pages初始化
```

#### Swap Cache 的 address_space 创建

```C
内核启动或添加swap分区
  └─> swapon系统调用
      └─> do_swapoff() [mm/swapfile.c]
          └─> setup_swap_extents() [mm/swapfile.c]
              └─> init_swap_address_space() [mm/swap_state.c:710]
                  ├─> 计算需要的address_space数量
                  │   └─> nr = DIV_ROUND_UP(nr_pages, SWAP_ADDRESS_SPACE_PAGES)
                  ├─> kvcalloc(nr, sizeof(struct address_space), GFP_KERNEL)
                  │   └─> 分配多个address_space结构
                  └─> 对每个address_space初始化：
                      ├─> xa_init_flags(&space->i_pages, XA_FLAGS_LOCK_IRQ)
                      │   └─> 注意：没有XA_FLAGS_ACCOUNT标志
                      ├─> atomic_set(&space->i_mmap_writable, 0)
                      ├─> space->a_ops = &swap_aops
                      └─> mapping_set_no_writeback_tags(space)
                          └─> swap cache不使用writeback相关标记
```

### alloc_inode(核心函数)

> 分配 inode 结构体，对 inode 进行初始化。这里我们可以很清晰看见，这里通过 ops->alloc_inode(sb)/alloc_inode_sb 进行 inode 结构体的获取，然后通过 inode_init_always 对 inode 进行初始化

```C
static struct inode *alloc_inode(struct super_block *sb)
{
    const struct super_operations *ops = sb->s_op;
    struct inode *inode;

if (ops->alloc_inode)
        inode = ops->alloc_inode(sb);
    else
        inode = alloc_inode_sb(sb, inode_cachep, GFP_KERNEL);

if (!inode)
        return NULL;

if (unlikely(inode_init_always(sb, inode))) {
        if (ops->destroy_inode) {
            ops->destroy_inode(inode);
            if (!ops->free_inode)
                return NULL;
        }
        inode->free_inode = ops->free_inode;
        i_callback(&inode->i_rcu);
        return NULL;
    }

return inode;
}
```

### inode_init_once( i_pages 的初始化 )

> i_pages 的初始化只有一个路径在(alloc_inode 内部触发）：通过 inode_init_once() → __address_space_init_once()。

```C
void inode_init_once(struct inode *inode)
{
    memset(inode, 0, sizeof(*inode));
    INIT_HLIST_NODE(&inode->i_hash);
    INIT_LIST_HEAD(&inode->i_devices);
    INIT_LIST_HEAD(&inode->i_io_list);
    INIT_LIST_HEAD(&inode->i_wb_list);
    INIT_LIST_HEAD(&inode->i_lru);
    INIT_LIST_HEAD(&inode->i_sb_list);
    __address_space_init_once(&inode->i_data);
    i_size_ordered_init(inode);
}
static void __address_space_init_once(struct address_space *mapping)
{
    xa_init_flags(&mapping->i_pages, XA_FLAGS_LOCK_IRQ | XA_FLAGS_ACCOUNT);
    init_rwsem(&mapping->i_mmap_rwsem);
    INIT_LIST_HEAD(&mapping->i_private_list);
    spin_lock_init(&mapping->i_private_lock);
    mapping->i_mmap = RB_ROOT_CACHED;
}
```

xa_init_flags() 的作用：

- 初始化 XArray 的根节点（xa_head = NULL）
- 设置标志：XA_FLAGS_LOCK_IRQ（IRQ 安全锁）、XA_FLAGS_ACCOUNT（内存统计）
- 初始化 XArray 的内部锁

#### 触发时机

> inode_init_once() 作为 slab 分配器的构造函数，在从 slab 分配 inode 时自动调用：

```C
ext4模块加载
  └─> module_init(init_ext4_fs) [fs/ext4/super.c]
      └─> ext4_init_inode_table() [fs/ext4/super.c]
          └─> ext4_inode_cachep = kmem_cache_create_usercopy(
                  "ext4_inode_cache",
                  sizeof(struct ext4_inode_info),
                  0,
                  (SLAB_RECLAIM_ACCOUNT|SLAB_MEM_SPREAD|SLAB_ACCOUNT),
                  offsetof(struct ext4_inode_info, i_data),
                  sizeof_field(struct ext4_inode_info, i_data),
                  init_once)  // 关键：init_once作为构造函数
              └─> kmem_cache_create_usercopy() [mm/slab_common.c]
                  └─> __kmem_cache_create()
                      └─> 创建slab缓存，注册init_once回调

后续任何分配inode的操作：
  └─> alloc_inode(sb) [fs/inode.c:261]
      └─> ext4_alloc_inode(sb) [fs/ext4/super.c]
          └─> kmem_cache_alloc(ext4_inode_cachep, GFP_KERNEL)
              └─> slab_alloc() [mm/slub.c]
                  └─> 如果对象是新分配的（未初始化）：
                      └─> slab_post_alloc_hook()
                          └─> 调用构造函数：init_once(foo)
                              └─> inode_init_once(inode)
                                  └─> memset(inode, 0, sizeof(*inode))
                                      └─> 清零整个inode结构
                                  └─> INIT_HLIST_NODE(&inode->i_hash)
                                  └─> INIT_LIST_HEAD(&inode->i_devices)
                                  └─> INIT_LIST_HEAD(&inode->i_io_list)
                                  └─> INIT_LIST_HEAD(&inode->i_wb_list)
                                  └─> INIT_LIST_HEAD(&inode->i_lru)
                                  └─> INIT_LIST_HEAD(&inode->i_sb_list)
                                  └─> __address_space_init_once(&inode->i_data)
                                      ├─> xa_init_flags(&mapping->i_pages, XA_FLAGS_LOCK_IRQ | XA_FLAGS_ACCOUNT)
                                      │   └─> 初始化XArray结构
                                      │       ├─> mapping->i_pages.xa_head = NULL
                                      │       ├─> mapping->i_pages.xa_flags = XA_FLAGS_LOCK_IRQ | XA_FLAGS_ACCOUNT
                                      │       └─> 初始化xa_lock（IRQ安全的spinlock）
                                      ├─> init_rwsem(&mapping->i_mmap_rwsem)
                                      ├─> INIT_LIST_HEAD(&mapping->i_private_list)
                                      ├─> spin_lock_init(&mapping->i_private_lock)
                                      └─> mapping->i_mmap = RB_ROOT_CACHED
                                  └─> i_size_ordered_init(inode)
```

### inode_init_always_gfp(初始化基础属性)

> 初始化 address_speace 的一些基础属性

```C
int inode_init_always_gfp(struct super_block *sb, struct inode *inode, gfp_t gfp)
{
        static const struct inode_operations empty_iops;
        static const struct file_operations no_open_fops = {.open = no_open};
        struct address_space *const mapping = &inode->i_data;

inode->i_sb = sb;
        inode->i_blkbits = sb->s_blocksize_bits;
        inode->i_flags = 0;
        inode->i_state = 0;
        atomic64_set(&inode->i_sequence, 0);
        atomic_set(&inode->i_count, 1);
        inode->i_op = &empty_iops;
        inode->i_fop = &no_open_fops;
        inode->i_ino = 0;
        inode->__i_nlink = 1;
        inode->i_opflags = 0;
        if (sb->s_xattr)
                inode->i_opflags |= IOP_XATTR;
        i_uid_write(inode, 0);
        i_gid_write(inode, 0);
        atomic_set(&inode->i_writecount, 0);
        inode->i_size = 0;
        inode->i_write_hint = WRITE_LIFE_NOT_SET;
        inode->i_blocks = 0;
        inode->i_bytes = 0;
        inode->i_generation = 0;
        inode->i_pipe = NULL;
        inode->i_cdev = NULL;
        inode->i_link = NULL;
        inode->i_dir_seq = 0;
        inode->i_rdev = 0;
        inode->dirtied_when = 0;

#ifdef CONFIG_CGROUP_WRITEBACK
        inode->i_wb_frn_winner = 0;
        inode->i_wb_frn_avg_time = 0;
        inode->i_wb_frn_history = 0;
#endif

spin_lock_init(&inode->i_lock);
        lockdep_set_class(&inode->i_lock, &sb->s_type->i_lock_key);

init_rwsem(&inode->i_rwsem);
        lockdep_set_class(&inode->i_rwsem, &sb->s_type->i_mutex_key);

atomic_set(&inode->i_dio_count, 0);

mapping->a_ops = &empty_aops;
        mapping->host = inode;
        mapping->flags = 0;
        mapping->wb_err = 0;
        atomic_set(&mapping->i_mmap_writable, 0);
#ifdef CONFIG_READ_ONLY_THP_FOR_FS
        atomic_set(&mapping->nr_thps, 0);
#endif
        mapping_set_gfp_mask(mapping, GFP_HIGHUSER_MOVABLE);
        mapping->i_private_data = NULL;
        mapping->writeback_index = 0;
        init_rwsem(&mapping->invalidate_lock);
        lockdep_set_class_and_name(&mapping->invalidate_lock,
                                   &sb->s_type->invalidate_lock_key,
                                   "mapping.invalidate_lock");
        if (sb->s_iflags & SB_I_STABLE_WRITES)
                mapping_set_stable_writes(mapping);
        inode->i_private = NULL;
        inode->i_mapping = mapping;
        INIT_HLIST_HEAD(&inode->i_dentry);      /* buggered by rcu freeing */
#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACL
        inode->i_acl = inode->i_default_acl = ACL_NOT_CACHED;
#endif

#ifdef CONFIG_FSNOTIFY
        inode->i_fsnotify_mask = 0;
#endif
        inode->i_flctx = NULL;

if (unlikely(security_inode_alloc(inode, gfp)))
                return -ENOMEM;

this_cpu_inc(nr_inodes);

return 0;
}
```

## 内核如何定位数据并映射到 Pages Cache

其实很好理解，获取文件偏移后比如index:0x00100010,那么从root entry开始用shift开始提取slots的下标

比如: index: 0x010010,先获取根 enrty ,shift 为 12

```C
slots_index = 0x10010 >> shift & 0x3f // 为 16 < XA_CHUNK_SIZE 合法
entry = node->slots[slots_index] 
```

- 那么根据slots_index获取的entry再判断是否为node节点，如果为pointer entry/value entry/null entry就直接返回,如果是 node 节点就继续下降。很明显我们还没命中目标，就继续下降

继续下降,然后直到遇到了pointer entry/value entry/null entry 就返回。

```JSON
// xas_load() 继续循环
xa_is_node(entry) = true  // Node B是节点指针
node = xa_to_node(entry); // 转换为 Node B 结构
node->shift = 6

// xas_descend() 下降
offset = get_offset(0x10010, Node B)
       = (0x10010 >> 6) & 0x3F
       = (65552 >> 6) & 63
       = 1024 & 63
       = 0

// 检查范围
offset = 0 < XA_CHUNK_SIZE (64) ✓ 合法

// 读取slot
entry = Node B->slots[0]  // 假设是 Node C (节点指针)

// 判断entry类型
xa_is_node(entry) = true  // 是节点指针，继续下降
```

### 调用链

```Bash
filemap_get_pages(iocb, count, fbatch, need_uptodate)
│
├─> 步骤1：计算页索引
│   ├─> index = iocb->ki_pos >> PAGE_SHIFT
│   └─> last_index = DIV_ROUND_UP(iocb->ki_pos + count, PAGE_SIZE)
│
├─> 步骤2：第一次批量查找
│   └─> filemap_get_read_batch(mapping, index, last_index - 1, fbatch)
│       │
│       ├─> XA_STATE(xas, &mapping->i_pages, index)
│       │   └─> 初始化XArray状态结构
│       │       ├─> xas.xa = &mapping->i_pages
│       │       ├─> xas.xa_index = index
│       │       └─> xas.xa_node = NULL
│       │
│       ├─> rcu_read_lock()
│       │   └─> 获取RCU读锁（允许并发读取）
│       │
│       └─> for (folio = xas_load(&xas); folio; folio = xas_next(&xas))
│           │
│           ├─> xas_load(&xas) [lib/xarray.c:236]
│           │   │
│           │   ├─> xas_start(&xas) [lib/xarray.c:181]
│           │   │   ├─> entry = xa_head(xas->xa)
│           │   │   │   └─> 获取XArray根条目（xa_head）
│           │   │   │
│           │   │   ├─> 如果xa_is_node(entry)：
│           │   │   │   └─> 检查索引范围
│           │   │   │
│           │   │   └─> 返回entry
│           │   │
│           │   └─> while (xa_is_node(entry))
│           │       │
│           │       ├─> node = xa_to_node(entry)
│           │       │   └─> 转换为xa_node结构
│           │       │
│           │       └─> xas_descend(&xas, node) [lib/xarray.c:203]
│           │           │
│           │           ├─> offset = get_offset(xas->xa_index, node)
│           │           │   └─> offset = (index >> node->shift) & XA_CHUNK_MASK
│           │           │       └─> 计算在当前节点中的偏移
│           │           │
│           │           ├─> entry = xa_entry(xas->xa, node, offset)
│           │           │   └─> 从节点的slots数组中获取条目
│           │           │       └─> entry = node->slots[offset]
│           │           │
│           │           ├─> xas->xa_node = node
│           │           │   └─> 更新当前节点
│           │           │
│           │           ├─> while (xa_is_sibling(entry))
│           │           │   └─> 处理sibling条目
│           │           │
│           │           └─> xas->xa_offset = offset
│           │               └─> 更新偏移
│           │
│           │           └─> 返回entry（可能是节点或最终条目）
│           │
│           ├─> xas_retry(&xas, folio) [include/linux/xarray.h:1526]
│           │   └─> 检查是否需要重试（并发修改检测）
│           │       └─> entry == XA_RETRY_ENTRY
│           │
│           ├─> xa_is_value(folio) [include/linux/xarray.h:83]
│           │   └─> (unsigned long)entry & 1
│           │       └─> 判断是否为值条目（swap/shadow）
│           │
│           ├─> xa_is_sibling(folio) [include/linux/xarray.h]
│           │   └─> 判断是否为sibling条目
│           │
│           ├─> folio_try_get(folio) [include/linux/mm.h]
│           │   └─> atomic_inc_not_zero(&folio->_refcount)
│           │       └─> 增加引用计数（防止被释放）
│           │
│           ├─> xas_reload(&xas) [include/linux/xarray.h:1595]
│           │   └─> 重新加载条目（验证并发修改）
│           │       └─> xas_load(&xas)
│           │
│           ├─> folio_batch_add(fbatch, folio)
│           │   └─> 将folio添加到批次
│           │
│           └─> xas_next(&xas) [lib/xarray.c]
│               ├─> xas_next_offset(&xas)
│               │   └─> xas->xa_offset++
│               │   └─> xas_move_index(&xas, xas->xa_offset)
│               │       └─> 移动到下一个索引
│               │
│               └─> xas_load(&xas)
│                   └─> 加载下一个条目
│
│           └─> rcu_read_unlock()
│               └─> 释放RCU读锁
│
├─> 步骤3：如果未找到页面
│   ├─> 检查IOCB_NOIO标志
│   │
│   └─> page_cache_sync_readahead()
│       └─> 执行同步预读
│           └─> 可能触发页面创建
│
│   └─> 再次尝试批量查找
│       └─> filemap_get_read_batch()
│
├─> 步骤4：如果仍未找到
│   └─> filemap_create_folio()
│       ├─> filemap_alloc_folio()
│       │   └─> 分配新folio
│       │
│       ├─> filemap_add_folio()
│       │   └─> __filemap_add_folio()
│       │       ├─> xas_lock_irq(&xas)
│       │       ├─> xas_store(&xas, folio)
│       │       │   └─> 将folio加入i_pages
│       │       └─> xas_unlock_irq(&xas)
│       │
│       └─> filemap_read_folio()
│           └─> 从磁盘读取数据
│
└─> 步骤5：处理找到的页面
  ├─> folio_test_readahead()
  ├─> folio_test_uptodate()
  └─> filemap_update_page()（如果需要）
```

### 流程图

```C++
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ filemap_get_folio(mapping, index)                          │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ __filemap_get_folio()                                       │
│  - 初始化folio = NULL                                       │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ filemap_get_entry(mapping, index)                          │
│  - XA_STATE(xas, &mapping->i_pages, index)                  │
│  - rcu_read_lock()                                          │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ xas_reset(&xas)                                             │
│  - xas->xa_node = XAS_RESTART                               │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ xas_load(&xas)                                              │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ xas_start(&xas)                                             │
│  ├─ xas_valid()? → 检查状态                                 │
│  ├─ xa_head(xas->xa) → 获取根节点                          │
│  └─ 检查index范围                                           │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
         ┌─────────────┴─────────────┐
         │                           │
    xa_is_node(entry)?           不是节点
         │                           │
         ▼                           ▼
┌──────────────────┐        ┌──────────────────┐
│ xa_to_node()    │        │ 返回entry        │
│ 转换节点指针     │        │ (可能是folio/NULL)│
└────────┬─────────┘        └──────────────────┘
         │
         ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ xas_descend(&xas, node)                                     │
│  ├─ get_offset(index, node)                                 │
│  │   └─ (index >> node->shift) & XA_CHUNK_MASK              │
│  ├─ xa_entry(node, offset) → 读取slot                       │
│  └─ while (xa_is_sibling(entry))                            │
│      └─ 跳转到规范槽位                                       │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
         ┌─────────────┴─────────────┐
         │                           │
    xa_is_node(entry)?           不是节点
         │                           │
         ▼                           ▼
    继续下降                    返回entry
         │                           │
         └───────────┬───────────────┘
                     │
                     ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ xas_retry(&xas, entry)                                      │
│  ├─ xa_is_zero()? → 返回true，重试                          │
│  ├─ xa_is_retry()? → xas_reset()，返回true，重试            │
│  └─ 返回false，继续                                          │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
         ┌─────────────┴─────────────┐
         │                           │
    xa_is_value()?              不是value
         │                           │
         ▼                           ▼
┌──────────────────┐        ┌──────────────────┐
│ 返回shadow/swap │        │ folio_try_get()  │
│ entry，不增加引用│        │ 增加引用计数      │
└──────────────────┘        └────────┬──────────┘
                                     │
                                     ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ xas_reload(&xas)                                            │
│  - 重新读取slot，验证entry未改变                            │
└──────────────────────┬──────────────────────────────────────┘
                       │
                       ▼
         ┌─────────────┴─────────────┐
         │                           │
    entry改变了?                 未改变
         │                           │
         ▼                           ▼
    folio_put()                返回folio
    goto repeat                 rcu_read_unlock()
```

### Xarray 的查询

```SQL
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ XArray查询流程（xas_load）                                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

XA_STATE初始化
  │
  ├─> xas.xa = &mapping->i_pages
  ├─> xas.xa_index = index (目标索引)
  └─> xas.xa_node = NULL

xas_start()
  │
  ├─> entry = xa_head(xas->xa)
  │   └─> 获取XArray根条目
  │       │
  │       ├─> 如果xa_head == NULL
  │       │   └─> 返回NULL（空数组）
  │       │
  │       ├─> 如果xa_is_node(entry)
  │       │   └─> 是节点，继续下降
  │       │
  │       └─> 否则
  │           └─> 直接返回条目（单条目数组）

while (xa_is_node(entry))
  │
  ├─> node = xa_to_node(entry)
  │   └─> 转换为xa_node结构
  │
  ├─> xas_descend(&xas, node)
  │   │
  │   ├─> offset = get_offset(xas->xa_index, node)
  │   │   └─> offset = (index >> node->shift) & XA_CHUNK_MASK
  │   │       └─> 计算在当前节点中的槽位偏移
  │   │
  │   ├─> entry = xa_entry(xas->xa, node, offset)
  │   │   └─> entry = node->slots[offset]
  │   │       └─> 从节点的slots数组获取条目
  │   │
  │   ├─> xas->xa_node = node
  │   │   └─> 更新当前节点
  │   │
  │   ├─> while (xa_is_sibling(entry))
  │   │   └─> 处理sibling条目（大页面的多槽位表示）
  │   │
  │   └─> xas->xa_offset = offset
  │       └─> 更新偏移
  │
  └─> 返回entry

判断结果：
  │
  ├─> entry == NULL
  │   └─> ❌ 页面不存在
  │
  ├─> xa_is_value(entry)
  │   └─> ❌ 是值条目（swap/shadow），不是页面
  │
  ├─> xa_is_node(entry)
  │   └─> 继续下降（递归）
  │
  └─> entry是普通指针
      └─> ✅ 页面存在，返回folio指针
```

#### get_offset ( index 到位段映射)

```C
index的二进制表示：
  [高位] ... [中间位] [低位]
    │         │        │
    │         │        └─> 叶子节点槽位（shift=0）
    │         └──────────> 中间节点槽位（shift=6）
    └────────────────────> 根节点槽位（shift=12）
static unsigned int get_offset(unsigned long index, struct xa_node *node)
{
    return (index >> node->shift) & XA_CHUNK_MASK;
}
```

- 列子

```C
Level 0 (根节点, shift=12):
  offset = (0x1234 >> 12) & 0x3F = 0x1 & 0x3F = 1
  → 访问 slots[1]

Level 1 (中间节点, shift=6):
  offset = (0x1234 >> 6) & 0x3F = 0x48 & 0x3F = 0x08 = 8
  → 访问 slots[8]

Level 2 (叶子节点, shift=0):
  offset = (0x1234 >> 0) & 0x3F = 0x1234 & 0x3F = 0x34 = 52
  → 访问 slots[52]
```

### 步骤1：文件偏移到页索引的转换

- index = iocb->ki_pos >> PAGE_SHIFT：文件偏移转页索引
- last_index = DIV_ROUND_UP(iocb->ki_pos + count, PAGE_SIZE)：计算结束页索引
- filemap_get_read_batch()：在 i_pages 中批量查找页面

```C
filemap_get_pages()
  │
  ├─> 步骤1：计算页索引范围
  │   ├─> index = iocb->ki_pos >> PAGE_SHIFT
  │   └─> last_index = DIV_ROUND_UP(iocb->ki_pos + count, PAGE_SIZE)
  │
  ├─> 步骤2：第一次尝试批量查找
  │   └─> filemap_get_read_batch(mapping, index, last_index - 1, fbatch)
  │       └─> 在i_pages中查找页面
  │
  ├─> 步骤3：如果未找到页面
  │   ├─> 检查IOCB_NOIO标志
  │   ├─> 执行同步预读
  │   │   └─> page_cache_sync_readahead()
  │   └─> 再次尝试批量查找
  │       └─> filemap_get_read_batch()
  │
  ├─> 步骤4：如果仍未找到
  │   └─> filemap_create_folio()
  │       └─> 创建新页面并加入Pages Cache
  │
  ├─> 步骤5：处理找到的页面
  │   ├─> 检查readahead标志
  │   ├─> 检查uptodate标志
  │   └─> filemap_update_page()（如果需要）
  │
  └─> 返回0（成功）或错误码
static int filemap_get_pages(struct kiocb *iocb, size_t count,
                struct folio_batch *fbatch, bool need_uptodate)
{
        struct file *filp = iocb->ki_filp;
        struct address_space *mapping = filp->f_mapping;
        struct file_ra_state *ra = &filp->f_ra;
        pgoff_t index = iocb->ki_pos >> PAGE_SHIFT;
        pgoff_t last_index;
        struct folio *folio;
        unsigned int flags;
        int err = 0;

/* "last_index" is the index of the page beyond the end of the read */
        last_index = DIV_ROUND_UP(iocb->ki_pos + count, PAGE_SIZE);
retry:
        if (fatal_signal_pending(current))
                return -EINTR;

filemap_get_read_batch(mapping, index, last_index - 1, fbatch);
        if (!folio_batch_count(fbatch)) {
                if (iocb->ki_flags & IOCB_NOIO)
                        return -EAGAIN;
                if (iocb->ki_flags & IOCB_NOWAIT)
                        flags = memalloc_noio_save();
                page_cache_sync_readahead(mapping, ra, filp, index,
                                last_index - index);
                if (iocb->ki_flags & IOCB_NOWAIT)
                        memalloc_noio_restore(flags);
                filemap_get_read_batch(mapping, index, last_index - 1, fbatch);
        }
        if (!folio_batch_count(fbatch)) {
                if (iocb->ki_flags & (IOCB_NOWAIT | IOCB_WAITQ))
                        return -EAGAIN;
                err = filemap_create_folio(filp, mapping, iocb->ki_pos, fbatch);
                if (err == AOP_TRUNCATED_PAGE)
                        goto retry;
                return err;
        }

folio = fbatch->folios[folio_batch_count(fbatch) - 1];
        if (folio_test_readahead(folio)) {
                err = filemap_readahead(iocb, filp, mapping, folio, last_index);
                if (err)
                        goto err;
        }
        if (!folio_test_uptodate(folio)) {
                if ((iocb->ki_flags & IOCB_WAITQ) &&
                    folio_batch_count(fbatch) > 1)
                        iocb->ki_flags |= IOCB_NOWAIT;
                err = filemap_update_page(iocb, mapping, count, folio,
                                          need_uptodate);
                if (err)
                        goto err;
        }

### 步骤2：通过页索引在 i_pages 中查找

- XA_STATE(xas, &mapping->i_pages, index)：初始化 XArray 状态，定位到指定索引
- xas_load(&xas)：从 XArray 加载条目
- xa_is_value(folio)：判断是否为值条目（swap/shadow）
- folio_try_get()：增加引用计数

```C++
void *filemap_get_entry(struct address_space *mapping, pgoff_t index)
{
        XA_STATE(xas, &mapping->i_pages, index);
        struct folio *folio;

rcu_read_lock();
repeat:
        xas_reset(&xas);
        folio = xas_load(&xas);
        if (xas_retry(&xas, folio))
                goto repeat;
        /*
         * A shadow entry of a recently evicted page, or a swap entry from
         * shmem/tmpfs.  Return it without attempting to raise page count.
         */
        if (!folio || xa_is_value(folio))
                goto out;

if (!folio_try_get(folio))
                goto repeat;

if (unlikely(folio != xas_reload(&xas))) {
                folio_put(folio);
                goto repeat;
        }
out:
        rcu_read_unlock();

return folio;
}
```

#### xas_load

```C++
void *xas_load(struct xa_state *xas)
{
    void *entry = xas_start(xas);

while (xa_is_node(entry)) {
        struct xa_node *node = xa_to_node(entry);

if (xas->xa_shift > node->shift)
            break;
        entry = xas_descend(xas, node);
        if (node->shift == 0)
            break;
    }
    return entry;
}
```

- 从根开始查找
- 若 entry 是节点指针，则下降一层
- 直到找到叶子 entry（folio 指针、NULL、shadow 等）

## Page Caches读取

> 无论是mmap映射文件还是通过open直接打开文件然后读取，都是拿到index后去查找PageCaches，如果没有命中PageCaches就创建 page ，再进行读取。

### 调用链

#### Read 路径

```Java
read()
  └─> vfs_read()
      └─> file->f_op->read_iter()
          └─> generic_file_read_iter()
              └─> filemap_read()
                  ├─> filemap_get_pages()
                  │   ├─> filemap_get_read_batch()  [从PageCache查找]
                  │   ├─> page_cache_sync_readahead() [缓存未命中时预读]
                  │   ├─> filemap_create_folio()     [创建新页面]
                  │   │   └─> filemap_read_folio()
                  │   │       └─> mapping->a_ops->read_folio()
                  │   └─> filemap_update_page()      [更新非最新页面]
                  │       └─> filemap_read_folio()
                  └─> copy_folio_to_iter()            [复制到用户空间]
```

#### Mmap 缺页中断路径

```C
用户访问mmap内存
  └─> 触发缺页中断
      └─> handle_mm_fault()
          └─> do_fault()
              └─> do_read_fault()
                  ├─> do_fault_around()              [fault-around预读]
                  └─> __do_fault()
                      └─> vma->vm_ops->fault()
                          └─> filemap_fault()
                              ├─> filemap_get_folio() [查找PageCache]
                              ├─> do_async_mmap_readahead() [异步预读]
                              ├─> do_sync_mmap_readahead()  [同步预读]
                              ├─> __filemap_get_folio()     [创建页面]
                              ├─> lock_folio_maybe_drop_mmap() [加锁]
                              └─> filemap_read_folio()       [读取数据]
                                  └─> mapping->a_ops->read_folio()
```

#### 预读路径

```C
同步预读：
page_cache_sync_readahead()
  └─> page_cache_ra_order()
      └─> read_pages()
          └─> mapping->a_ops->readahead()
              └─> readahead_folio() [逐个获取页面]

异步预读：
page_cache_async_ra()
  └─> page_cache_ra_order()
      └─> read_pages()
          └─> mapping->a_ops->readahead()
```

### 流程图

```C
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    PageCache读取流程                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                              ▼
        ┌─────────────────────────────────────┐
        │   读取请求（read/mmap）              │
        └─────────────────────────────────────┘
                              │
                ┌─────────────┴─────────────┐
                │                           │
                ▼                           ▼
    ┌──────────────────┐        ┌──────────────────┐
    │  read()系统调用   │        │  mmap缺页中断     │
    └──────────────────┘        └──────────────────┘
                │                           │
                ▼                           ▼
    ┌──────────────────┐        ┌──────────────────┐
    │ filemap_read()    │        │ filemap_fault()  │
    └──────────────────┘        └──────────────────┘
                │                           │
                └─────────────┬─────────────┘
                              │
                              ▼
                ┌─────────────────────┐
                │ 查找PageCache        │
                │ filemap_get_folio() │
                └─────────────────────┘
                              │
                ┌─────────────┴─────────────┐
                │                           │
         ┌──────▼──────┐          ┌─────────▼─────────┐
         │ 页面在缓存中 │          │ 页面不在缓存中    │
         └──────┬──────┘          └─────────┬─────────┘
                │                           │
    ┌───────────┴──────────┐               │
    │                       │               │
    ▼                       ▼               ▼
┌──────────┐      ┌──────────────┐  ┌──────────────┐
│ 最新页面  │      │ 非最新页面    │  │ 触发预读      │
│ (uptodate)│      │ (!uptodate)  │  │ readahead()  │
└────┬─────┘      └──────┬───────┘  └──────┬───────┘
     │                   │                  │
     │                   ▼                  │
     │          ┌─────────────────┐         │
     │          │ filemap_read_   │         │
     │          │ folio()         │         │
     │          └────────┬────────┘         │
     │                   │                  │
     └──────────────────┴──────────────────┘
                        │
                        ▼
            ┌──────────────────────┐
            │ 调用文件系统read_folio│
            │ mapping->a_ops->     │
            │ read_folio()         │
            └──────────┬───────────┘
                       │
                       ▼
            ┌──────────────────────┐
            │ 从磁盘读取数据到页面   │
            │ 设置PG_uptodate标志   │
            └──────────┬───────────┘
                       │
                       ▼
            ┌──────────────────────┐
            │ 返回数据给用户空间     │
            │ (copy_folio_to_iter)  │
            └──────────────────────┘
```

### read路径

```C
read()
  └─> vfs_read()
      └─> file->f_op->read_iter()
          └─> generic_file_read_iter()
              └─> filemap_read()
                  ├─> filemap_get_pages()
                  │   ├─> filemap_get_read_batch()  [从PageCache查找]
                  │   ├─> page_cache_sync_readahead() [缓存未命中时预读]
                  │   ├─> filemap_create_folio()     [创建新页面]
                  │   │   └─> filemap_read_folio()
                  │   │       └─> mapping->a_ops->read_folio()
                  │   └─> filemap_update_page()      [更新非最新页面]
                  │       └─> filemap_read_folio()
                  └─> copy_folio_to_iter()            [复制到用户空间]
```

#### filemap_read(核心)

- 从PageCache读取数据到用户空间
- 循环调用filemap_get_pages()获取页面批次
- 将页面数据复制到iov_iter
- 处理文件大小边界和可写映射的缓存一致性

```C
/**
 * filemap_read - Read data from the page cache.
 * @iocb: The iocb to read.
 * @iter: Destination for the data.
 * @already_read: Number of bytes already read by the caller.
 *
 * Copies data from the page cache.  If the data is not currently present,
 * uses the readahead and read_folio address_space operations to fetch it.
 *
 * Return: Total number of bytes copied, including those already read by
 * the caller.  If an error happens before any bytes are copied, returns
 * a negative error number.
 */
ssize_t filemap_read(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *iter,
                ssize_t already_read)
{
        struct file *filp = iocb->ki_filp;
        struct file_ra_state *ra = &filp->f_ra;
        struct address_space *mapping = filp->f_mapping;
        struct inode *inode = mapping->host;
        struct folio_batch fbatch;
        int i, error = 0;
        bool writably_mapped;
        loff_t isize, end_offset;
        loff_t last_pos = ra->prev_pos;

if (unlikely(iocb->ki_pos >= inode->i_sb->s_maxbytes))
                return 0;
        if (unlikely(!iov_iter_count(iter)))
                return 0;

iov_iter_truncate(iter, inode->i_sb->s_maxbytes - iocb->ki_pos);
        folio_batch_init(&fbatch);

do {
                cond_resched();

/*
                 * If we've already successfully copied some data, then we
                 * can no longer safely return -EIOCBQUEUED. Hence mark
                 * an async read NOWAIT at that point.
                 */
                if ((iocb->ki_flags & IOCB_WAITQ) && already_read)
                        iocb->ki_flags |= IOCB_NOWAIT;

if (unlikely(iocb->ki_pos >= i_size_read(inode)))
                        break;

error = filemap_get_pages(iocb, iter->count, &fbatch, false);
 if (error < 0)
 break;

/*
                 * i_size must be checked after we know the pages are Uptodate.
                 *
                 * Checking i_size after the check allows us to calculate
                 * the correct value for "nr", which means the zero-filled
                 * part of the page is not copied back to userspace (unless
                 * another truncate extends the file - this is desired though).
                 */
                isize = i_size_read(inode);
                if (unlikely(iocb->ki_pos >= isize))
                        goto put_folios;
                end_offset = min_t(loff_t, isize, iocb->ki_pos + iter->count);

/*
                 * Once we start copying data, we don't want to be touching any
                 * cachelines that might be contended:
                 */
                writably_mapped = mapping_writably_mapped(mapping);

/*
                 * When a read accesses the same folio several times, only
                 * mark it as accessed the first time.
                 */
                if (!pos_same_folio(iocb->ki_pos, last_pos - 1,
                                    fbatch.folios[0]))
                        folio_mark_accessed(fbatch.folios[0]);

for (i = 0; i < folio_batch_count(&fbatch); i++) {
 struct folio *folio = fbatch.folios[i];
 size_t fsize = folio_size(folio);
 size_t offset = iocb->ki_pos & (fsize - 1);
 size_t bytes = min_t(loff_t, end_offset - iocb->ki_pos,
 fsize - offset);
 size_t copied;

if (end_offset < folio_pos(folio))
 break;
 if (i > 0)
 folio_mark_accessed(folio);
 /*
 * If users can be writing to this folio using arbitrary
 * virtual addresses, take care of potential aliasing
 * before reading the folio on the kernel side.
 */
 if (writably_mapped)
 flush_dcache_folio(folio);

copied = copy_folio_to_iter(folio, offset, bytes, iter);

already_read += copied;
                        iocb->ki_pos += copied;
                        last_pos = iocb->ki_pos;

if (copied < bytes) {
 error = -EFAULT;
 break;
 }
 }
put_folios:
 for (i = 0; i < folio_batch_count(&fbatch); i++)
 folio_put(fbatch.folios[i]);
 folio_batch_init(&fbatch);
 } while (iov_iter_count(iter) && iocb->ki_pos < isize && !error);

file_accessed(filp);
        ra->prev_pos = last_pos;
        return already_read ? already_read : error;
}
```

#### filemap_get_pages (获取页面批次)

- 从PageCache批量获取页面
- 缓存未命中时触发同步预读
- 仍无页面则创建新页面并读取
- 检查页面是否最新，必要时更新

```C++
static int filemap_get_pages(struct kiocb *iocb, size_t count,
                struct folio_batch *fbatch, bool need_uptodate)
{
        struct file *filp = iocb->ki_filp;
        struct address_space *mapping = filp->f_mapping;
        struct file_ra_state *ra = &filp->f_ra;
        pgoff_t index = iocb->ki_pos >> PAGE_SHIFT;
        pgoff_t last_index;
        struct folio *folio;
        unsigned int flags;
        int err = 0;

trace_mm_filemap_get_pages(mapping, index, last_index - 1);
 return 0;
err:
 if (err < 0)
 folio_put(folio);
 if (likely(--fbatch->nr))
 return 0;
 if (err == AOP_TRUNCATED_PAGE)
 goto retry;
 return err;
}
/*
 * filemap_get_read_batch - Get a batch of folios for read
 *
 * Get a batch of folios which represent a contiguous range of bytes in
 * the file. No exceptional entries will be returned. If @index is in
 * the middle of a folio, the entire folio will be returned. The last
 * folio in the batch may have the readahead flag set or the uptodate flag
 * clear so that the caller can take the appropriate action.
 */
 /*
 使用RCU从radix tree批量获取页面
 遇到非最新或预读标记页面时停止
 返回连续范围的页面批次
 */
static void filemap_get_read_batch(struct address_space *mapping,
 pgoff_t index, pgoff_t max, struct folio_batch *fbatch)
{
 XA_STATE(xas, &mapping->i_pages, index);
 struct folio *folio;

rcu_read_lock();
        for (folio = xas_load(&xas); folio; folio = xas_next(&xas)) {
                if (xas_retry(&xas, folio))
                        continue;
                if (xas.xa_index > max || xa_is_value(folio))
                        break;
                if (xa_is_sibling(folio))
                        break;
                if (!folio_try_get(folio))
                        goto retry;

if (unlikely(folio != xas_reload(&xas)))
                        goto put_folio;

if (!folio_batch_add(fbatch, folio))
                        break;
                if (!folio_test_uptodate(folio))
                        break;
                if (folio_test_readahead(folio))
                        break;
                xas_advance(&xas, folio_next_index(folio) - 1);
                continue;
put_folio:
                folio_put(folio);
retry:
                xas_reset(&xas);
        }
        rcu_read_unlock();
}
```

#### filemap_create_folio(没有命中时创建)

```Go
static int filemap_create_folio(struct file *file,
                struct address_space *mapping, loff_t pos,
                struct folio_batch *fbatch)
{
        struct folio *folio;
        int error;
        unsigned int min_order = mapping_min_folio_order(mapping);
        pgoff_t index;

folio = filemap_alloc_folio(mapping_gfp_mask(mapping), min_order);
        if (!folio)
                return -ENOMEM;

/*
 * Protect against truncate / hole punch. Grabbing invalidate_lock
 * here assures we cannot instantiate and bring uptodate new
 * pagecache folios after evicting page cache during truncate
 * and before actually freeing blocks. Note that we could
 * release invalidate_lock after inserting the folio into
 * the page cache as the locked folio would then be enough to
 * synchronize with hole punching. But there are code paths
 * such as filemap_update_page() filling in partially uptodate
 * pages or ->readahead() that need to hold invalidate_lock
 * while mapping blocks for IO so let's hold the lock here as
 * well to keep locking rules simple.
 */
 filemap_invalidate_lock_shared(mapping);
 index = (pos >> (PAGE_SHIFT + min_order)) << min_order;
 // 1. 分配新页面
 error = filemap_add_folio(mapping, folio, index,
 mapping_gfp_constraint(mapping, GFP_KERNEL));
 if (error == -EEXIST)
 error = AOP_TRUNCATED_PAGE;
 if (error)
 goto error;
 // 2. 加入PageCache
 error = filemap_read_folio(file, mapping->a_ops->read_folio, folio);
 if (error)
 goto error;
 // 3. 读取数据
 filemap_invalidate_unlock_shared(mapping);
 folio_batch_add(fbatch, folio);
 return 0;
error:
 filemap_invalidate_unlock_shared(mapping);
 folio_put(folio);
 return error;
}
```

### mmap 路径

#### filemap_fault (核心 缺页中断处理)

- 处理mmap访问触发的缺页中断
- 先查找PageCache，命中则尝试异步预读
- 未命中则同步预读并创建页面
- 页面非最新时调用read_folio读取
- 处理截断、锁竞争等边界情况

```C++
vm_fault_t filemap_fault(struct vm_fault *vmf)
{
        int error;
        struct file *file = vmf->vma->vm_file;
        struct file *fpin = NULL;
        struct address_space *mapping = file->f_mapping;
        struct inode *inode = mapping->host;
        pgoff_t max_idx, index = vmf->pgoff;
        struct folio *folio;
        vm_fault_t ret = 0;
        bool mapping_locked = false;

max_idx = DIV_ROUND_UP(i_size_read(inode), PAGE_SIZE);
        if (unlikely(index >= max_idx))
                return VM_FAULT_SIGBUS;

trace_mm_filemap_fault(mapping, index);

/*
         * Do we have something in the page cache already?
         */
        folio = filemap_get_folio(mapping, index);
        if (likely(!IS_ERR(folio))) {
                /*
                 * We found the page, so try async readahead before waiting for
                 * the lock.
                 */
                if (!(vmf->flags & FAULT_FLAG_TRIED))
                        fpin = do_async_mmap_readahead(vmf, folio);
                if (unlikely(!folio_test_uptodate(folio))) {
                        filemap_invalidate_lock_shared(mapping);
                        mapping_locked = true;
                }
        } else {
                ret = filemap_fault_recheck_pte_none(vmf);
                if (unlikely(ret))
                        return ret;

/* No page in the page cache at all */
                count_vm_event(PGMAJFAULT);
                count_memcg_event_mm(vmf->vma->vm_mm, PGMAJFAULT);
                ret = VM_FAULT_MAJOR;
                fpin = do_sync_mmap_readahead(vmf);
retry_find:
                /*
                 * See comment in filemap_create_folio() why we need
                 * invalidate_lock
                 */
                if (!mapping_locked) {
                        filemap_invalidate_lock_shared(mapping);
                        mapping_locked = true;
                }
                folio = __filemap_get_folio(mapping, index,
                                          FGP_CREAT|FGP_FOR_MMAP,
                                          vmf->gfp_mask);
                if (IS_ERR(folio)) {
                        if (fpin)
                                goto out_retry;
                        filemap_invalidate_unlock_shared(mapping);
                        return VM_FAULT_OOM;
                }
        }

if (!lock_folio_maybe_drop_mmap(vmf, folio, &fpin))
                goto out_retry;

/* Did it get truncated? */
        if (unlikely(folio->mapping != mapping)) {
                folio_unlock(folio);
                folio_put(folio);
                goto retry_find;
        }
        VM_BUG_ON_FOLIO(!folio_contains(folio, index), folio);

/*
         * We have a locked folio in the page cache, now we need to check
         * that it's up-to-date. If not, it is going to be due to an error,
         * or because readahead was otherwise unable to retrieve it.
         */
        if (unlikely(!folio_test_uptodate(folio))) {
                /*
                 * If the invalidate lock is not held, the folio was in cache
                 * and uptodate and now it is not. Strange but possible since we
                 * didn't hold the page lock all the time. Let's drop
                 * everything, get the invalidate lock and try again.
                 */
                if (!mapping_locked) {
                        folio_unlock(folio);
                        folio_put(folio);
                        goto retry_find;
                }

/*
                 * OK, the folio is really not uptodate. This can be because the
                 * VMA has the VM_RAND_READ flag set, or because an error
                 * arose. Let's read it in directly.
                 */
                goto page_not_uptodate;
        }

/*
         * We've made it this far and we had to drop our mmap_lock, now is the
         * time to return to the upper layer and have it re-find the vma and
         * redo the fault.
         */
        if (fpin) {
                folio_unlock(folio);
                goto out_retry;
        }
        if (mapping_locked)
                filemap_invalidate_unlock_shared(mapping);

/*
         * Found the page and have a reference on it.
         * We must recheck i_size under page lock.
         */
        max_idx = DIV_ROUND_UP(i_size_read(inode), PAGE_SIZE);
        if (unlikely(index >= max_idx)) {
                folio_unlock(folio);
                folio_put(folio);
                return VM_FAULT_SIGBUS;
        }

vmf->page = folio_file_page(folio, index);
        return ret | VM_FAULT_LOCKED;

page_not_uptodate:
        /*
         * Umm, take care of errors if the page isn't up-to-date.
         * Try to re-read it _once_. We do this synchronously,
         * because there really aren't any performance issues here
         * and we need to check for errors.
         */
        fpin = maybe_unlock_mmap_for_io(vmf, fpin);
        error = filemap_read_folio(file, mapping->a_ops->read_folio, folio);
        if (fpin)
                goto out_retry;
        folio_put(folio);

if (!error || error == AOP_TRUNCATED_PAGE)
                goto retry_find;
        filemap_invalidate_unlock_shared(mapping);

return VM_FAULT_SIGBUS;

out_retry:
        /*
         * We dropped the mmap_lock, we need to return to the fault handler to
         * re-find the vma and come back and find our hopefully still populated
         * page.
         */
        if (!IS_ERR(folio))
                folio_put(folio);
        if (mapping_locked)
                filemap_invalidate_unlock_shared(mapping);
        if (fpin)
                fput(fpin);
        return ret | VM_FAULT_RETRY;
}
EXPORT_SYMBOL(filemap_fault);
```

#### filemap_read_folio 读取单个页面

- 调用文件系统的read_folio读取页面
- 等待I/O完成
- 检查页面是否最新
- 记录内存压力统计

```Go
static int filemap_read_folio(struct file *file, filler_t filler,
        struct folio *folio)
{
    bool workingset = folio_test_workingset(folio);
    unsigned long pflags;
    int error;

/* Start the actual read. The read will unlock the page. */
    if (unlikely(workingset))
        psi_memstall_enter(&pflags);
    error = filler(file, folio);
    if (unlikely(workingset))
        psi_memstall_leave(&pflags);
    if (error)
        return error;

error = folio_wait_locked_killable(folio);
    if (error)
        return error;
    if (folio_test_uptodate(folio))
        return 0;
    if (file)
        shrink_readahead_size_eio(&file->f_ra);
    return -EIO;
}
```

#### *__filemap_get_folio(没有命中时创建)*

```C
┌─────────────────────────────────────────┐
│ __filemap_get_folio(mapping, index,    │
│                    fgp_flags, gfp)     │
└─────────────────────────────────────────┘
              │
              ▼
    ┌─────────────────────┐
    │ filemap_get_entry() │  ← 从radix tree查找
    └──────────┬──────────┘
               │
    ┌──────────┴──────────┐
    │                     │
   找到                   未找到
    │                     │
    ▼                     ▼
┌──────────┐    ┌──────────────────┐
│检查类型   │    │ 检查FGP_CREAT?   │
│xa_is_    │    └────────┬─────────┘
│value()?  │             │
└────┬─────┘             │
     │              ┌────┴────┐
    否             是         否
     │              │         │
     ▼              ▼         ▼
┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐
│处理已存在 │  │创建新页面 │  │返回ENOENT│
│页面      │  │          │  └──────────┘
└────┬─────┘  └────┬─────┘
     │             │
     │    ┌────────┴────────┐
     │    │ 1. 确定order    │
     │    │ 2. 对齐index    │
     │    │ 3. 调整gfp标志   │
     │    │ 4. 降级分配循环  │
     │    │    - 分配folio  │
     │    │    - 加入PageCache│
     │    │    - 失败则降级  │
     │    └────────┬────────┘
     │             │
     │    ┌────────┴────────┐
     │    │ filemap_add_   │
     │    │ folio()返回     │
     │    └────────┬────────┘
     │             │
     │    ┌────────┴────────┐
     │    │ -EEXIST?       │
     │    │ 是→goto repeat │
     │    │ 否→继续        │
     │    └────────┬────────┘
     │             │
     │    ┌────────┴────────┐
     │    │ FGP_FOR_MMAP?  │
     │    │ 是→解锁页面     │
     │    └────────┬────────┘
     │             │
     └─────────────┴─────────┐
                             │
                             ▼
                    ┌────────────────┐
                    │ 返回folio      │
                    │ (引用计数+1)   │
                    └────────────────┘
```

- mapping: 地址空间（address_space），对应文件的PageCache
- index: 页面索引（页号）
- fgp_flags: 控制行为的标志位（见下文）
- gfp: 内存分配标志（仅在创建页面时使用）

```C++
/**
 * __filemap_get_folio - Find and get a reference to a folio.
 * @mapping: The address_space to search.
 * @index: The page index.
 * @fgp_flags: %FGP flags modify how the folio is returned.
 * @gfp: Memory allocation flags to use if %FGP_CREAT is specified.
 *
 * Looks up the page cache entry at @mapping & @index.
 *
 * If %FGP_LOCK or %FGP_CREAT are specified then the function may sleep even
 * if the %GFP flags specified for %FGP_CREAT are atomic.
 *
 * If this function returns a folio, it is returned with an increased refcount.
 *
 * Return: The found folio or an ERR_PTR() otherwise.
 */
struct folio *__filemap_get_folio(struct address_space *mapping, pgoff_t index,
                fgf_t fgp_flags, gfp_t gfp)
{
        struct folio *folio;

repeat:
        folio = filemap_get_entry(mapping, index);
        if (xa_is_value(folio))
                folio = NULL;
        if (!folio)
                goto no_page;

if (fgp_flags & FGP_LOCK) {
                if (fgp_flags & FGP_NOWAIT) {
                        if (!folio_trylock(folio)) {
                                folio_put(folio);
                                return ERR_PTR(-EAGAIN);
                        }
                } else {
                        folio_lock(folio);
                }

/* Has the page been truncated? */
                if (unlikely(folio->mapping != mapping)) {
                        folio_unlock(folio);
                        folio_put(folio);
                        goto repeat;
                }
                VM_BUG_ON_FOLIO(!folio_contains(folio, index), folio);
        }

if (fgp_flags & FGP_ACCESSED)
                folio_mark_accessed(folio);
        else if (fgp_flags & FGP_WRITE) {
                /* Clear idle flag for buffer write */
                if (folio_test_idle(folio))
                        folio_clear_idle(folio);
        }

if (fgp_flags & FGP_STABLE)
                folio_wait_stable(folio);
no_page:
        if (!folio && (fgp_flags & FGP_CREAT)) {
                unsigned int min_order = mapping_min_folio_order(mapping);
                unsigned int order = max(min_order, FGF_GET_ORDER(fgp_flags));
                int err;
                index = mapping_align_index(mapping, index);

if ((fgp_flags & FGP_WRITE) && mapping_can_writeback(mapping))
                        gfp |= __GFP_WRITE;
                if (fgp_flags & FGP_NOFS)
                        gfp &= ~__GFP_FS;
                if (fgp_flags & FGP_NOWAIT) {
                        gfp &= ~GFP_KERNEL;
                        gfp |= GFP_NOWAIT | __GFP_NOWARN;
                }
                if (WARN_ON_ONCE(!(fgp_flags & (FGP_LOCK | FGP_FOR_MMAP))))
                        fgp_flags |= FGP_LOCK;

if (order > mapping_max_folio_order(mapping))
 order = mapping_max_folio_order(mapping);
 /* If we're not aligned, allocate a smaller folio */
 if (index & ((1UL << order) - 1))
 order = __ffs(index);

do {
                        gfp_t alloc_gfp = gfp;

err = -ENOMEM;
                        if (order > min_order)
                                alloc_gfp |= __GFP_NORETRY | __GFP_NOWARN;
                        folio = filemap_alloc_folio(alloc_gfp, order);
                        if (!folio)
                                continue;

/* Init accessed so avoid atomic mark_page_accessed later */
                        if (fgp_flags & FGP_ACCESSED)
                                __folio_set_referenced(folio);

err = filemap_add_folio(mapping, folio, index, gfp);
                        if (!err)
                                break;
                        folio_put(folio);
                        folio = NULL;
                } while (order-- > min_order);

if (err == -EEXIST)
                        goto repeat;
                if (err) {
                        /*
                         * When NOWAIT I/O fails to allocate folios this could
                         * be due to a nonblocking memory allocation and not
                         * because the system actually is out of memory.
                         * Return -EAGAIN so that there caller retries in a
                         * blocking fashion instead of propagating -ENOMEM
                         * to the application.
                         */
                        if ((fgp_flags & FGP_NOWAIT) && err == -ENOMEM)
                                err = -EAGAIN;
                        return ERR_PTR(err);
                }
                /*
                 * filemap_add_folio locks the page, and for mmap
                 * we expect an unlocked page.
                 */
                if (folio && (fgp_flags & FGP_FOR_MMAP))
                        folio_unlock(folio);
        }

if (!folio)
                return ERR_PTR(-ENOENT);
        return folio;
}
EXPORT_SYMBOL(__filemap_get_folio);
```

## Page Caches写入

> 和读取一样，有多种路径

### 调用链

#### Write 路径 (通过open打开的fd进行操作)

```C
write()
  └─> vfs_write()
      └─> file->f_op->write_iter()
          └─> generic_file_write_iter()
              └─> __generic_file_write_iter()
                  ├─> generic_file_direct_write()  [直接IO路径]
                  └─> generic_perform_write()      [缓冲IO路径]
                      ├─> balance_dirty_pages_ratelimited()  [脏页限流]
                      ├─> a_ops->write_begin()     [准备页面]
                      │   └─> __filemap_get_folio(FGP_WRITEBEGIN)
                      │       └─> 如果页面不存在或非最新，先读取
                      ├─> copy_folio_from_iter_atomic()  [复制数据]
                      └─> a_ops->write_end()       [完成写入]
                          ├─> folio_mark_uptodate()
                          ├─> folio_mark_dirty()    [标记脏页]
                          └─> 更新文件大小
```

#### Mmap 写入路径

```C
用户写入mmap内存
  └─> 触发写保护缺页中断
      └─> handle_mm_fault()
          └─> do_wp_page()
              └─> do_page_mkwrite()
                  └─> vma->vm_ops->page_mkwrite()
                      └─> filemap_page_mkwrite()
                          └─> folio_mark_dirty()    [标记脏页]
```

#### 后台写回

> 脏数据回写会在后文单独给出

```C
脏页达到阈值 / 显式同步
  └─> balance_dirty_pages()
      └─> 唤醒写回线程
          └─> wb_workfn()
              └─> wb_writeback()
                  └─> __writeback_single_inode()
                      └─> do_writepages()
                          ├─> a_ops->writepages()  [批量写回]
                          │   └─> write_cache_pages()
                          │       └─> writepage()  [逐个写回]
                          └─> a_ops->writepage()   [单个写回]
                              └─> 将页面数据写入磁盘
                                  └─> folio_end_writeback()
```

### 流程图

```C
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                  PageCache写入流程                            │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              │
                ┌─────────────┴─────────────┐
                │                           │
                ▼                           ▼
    ┌──────────────────┐        ┌──────────────────┐
    │  write()系统调用 │        │  mmap写入         │
    └──────────────────┘        └──────────────────┘
                │                           │
                ▼                           ▼
    ┌──────────────────┐        ┌──────────────────┐
    │ generic_perform │        │ do_page_mkwrite() │
    │ _write()        │        └────────┬─────────┘
    └────────┬─────────┘                 │
             │                           │
             ▼                           ▼
    ┌──────────────────┐        ┌──────────────────┐
    │ 脏页限流检查      │        │ 标记页面为脏      │
    │ balance_dirty_   │        │ folio_mark_dirty()│
    │ pages_ratelimited│        └──────────────────┘
    └────────┬─────────┘
             │
    ┌────────┴────────┐
    │                 │
超过阈值              未超过
    │                 │
    ▼                 ▼
┌──────────┐   ┌──────────────────┐
│ 限流等待  │   │ write_begin()    │
│ 或唤醒    │   │ - 获取/创建页面  │
│ 写回线程  │   │ - 必要时先读取   │
└──────────┘   └────────┬─────────┘
                        │
                        ▼
                ┌──────────────────┐
                │ 复制数据到页面   │
                │ copy_folio_from_ │
                │ iter_atomic()    │
                └────────┬─────────┘
                        │
                        ▼
                ┌──────────────────┐
                │ write_end()      │
                │ - 标记uptodate   │
                │ - 标记dirty      │
                │ - 更新文件大小   │
                └────────┬─────────┘
                        │
                        ▼
                ┌──────────────────┐
                │ 脏页积累         │
                │ 达到阈值后触发   │
                │ 后台写回         │
                └────────┬─────────┘
                        │
                        ▼
                ┌──────────────────┐
                │ do_writepages()  │
                │ - writepages()   │
                │ - writepage()    │
                └────────┬─────────┘
                        │
                        ▼
                ┌──────────────────┐
                │ 写入磁盘         │
                │ - 调用文件系统   │
                │   写入函数       │
                │ - 清除dirty标志  │
                │ - 标记writeback  │
                └──────────────────┘
```

### Write 路径

#### generic_file_write_iter(核心)

- 循环处理写入数据，每次处理一个chunk
- 调用balance_dirty_pages_ratelimited()进行脏页限流
- 调用write_begin()准备页面
- 从用户空间复制数据到页面
- 调用write_end()完成写入并标记脏页
- 处理部分写入和错误情况

```C++
ssize_t generic_perform_write(struct kiocb *iocb, struct iov_iter *i)
{
        struct file *file = iocb->ki_filp;
        loff_t pos = iocb->ki_pos;
        struct address_space *mapping = file->f_mapping;
        const struct address_space_operations *a_ops = mapping->a_ops;
        size_t chunk = mapping_max_folio_size(mapping);
        long status = 0;
        ssize_t written = 0;

do {
                struct folio *folio;
                size_t offset;          /* Offset into folio */
                size_t bytes;           /* Bytes to write to folio */
                size_t copied;          /* Bytes copied from user */
                void *fsdata = NULL;

bytes = iov_iter_count(i);
retry:
                offset = pos & (chunk - 1);
                bytes = min(chunk - offset, bytes);
                balance_dirty_pages_ratelimited(mapping);

/*
                 * Bring in the user page that we will copy from _first_.
                 * Otherwise there's a nasty deadlock on copying from the
                 * same page as we're writing to, without it being marked
                 * up-to-date.
                 */
                if (unlikely(fault_in_iov_iter_readable(i, bytes) == bytes)) {
                        status = -EFAULT;
                        break;
                }

if (fatal_signal_pending(current)) {
                        status = -EINTR;
                        break;
                }

status = a_ops->write_begin(file, mapping, pos, bytes,
 &folio, &fsdata);
 if (unlikely(status < 0))
 break;

offset = offset_in_folio(folio, pos);
                if (bytes > folio_size(folio) - offset)
                        bytes = folio_size(folio) - offset;

if (mapping_writably_mapped(mapping))
                        flush_dcache_folio(folio);

copied = copy_folio_from_iter_atomic(folio, offset, bytes, i);
                flush_dcache_folio(folio);

status = a_ops->write_end(file, mapping, pos, bytes, copied,
 folio, fsdata);
 if (unlikely(status != copied)) {
 iov_iter_revert(i, copied - max(status, 0L));
 if (unlikely(status < 0))
 break;
 }
 cond_resched();

if (unlikely(status == 0)) {
                        /*
                         * A short copy made ->write_end() reject the
                         * thing entirely.  Might be memory poisoning
                         * halfway through, might be a race with munmap,
                         * might be severe memory pressure.
                         */
                        if (chunk > PAGE_SIZE)
                                chunk /= 2;
                        if (copied) {
                                bytes = copied;
                                goto retry;
                        }
                } else {
                        pos += status;
                        written += status;
                }
        } while (iov_iter_count(i));

if (!written)
                return status;
        iocb->ki_pos += written;
        return written;
}
EXPORT_SYMBOL(generic_perform_write);
```

#### write_begin (写入开始)

- 使用FGP_WRITEBEGIN标志获取或创建页面（已加锁）
- 如果页面不在PageCache或非最新，先读取
- 如果写入整个页面或超出EOF，可以跳过读取
- 返回页面和文件系统私有数据（fsdata）

```C
int bch2_write_begin(struct file *file, struct address_space *mapping,
                     loff_t pos, unsigned len,
                     struct folio **foliop, void **fsdata)
{
        struct bch_inode_info *inode = to_bch_ei(mapping->host);
        struct bch_fs *c = inode->v.i_sb->s_fs_info;
        struct bch2_folio_reservation *res;
        struct folio *folio;
        unsigned offset;
        int ret = -ENOMEM;

res = kmalloc(sizeof(*res), GFP_KERNEL);
        if (!res)
                return -ENOMEM;

bch2_folio_reservation_init(c, inode, res);
        *fsdata = res;

bch2_pagecache_add_get(inode);

folio = __filemap_get_folio(mapping, pos >> PAGE_SHIFT,
                                    FGP_WRITEBEGIN | fgf_set_order(len),
                                    mapping_gfp_mask(mapping));
        if (IS_ERR_OR_NULL(folio))
                goto err_unlock;

offset = pos - folio_pos(folio);
        len = min_t(size_t, len, folio_end_pos(folio) - pos);

if (folio_test_uptodate(folio))
                goto out;

/* If we're writing entire folio, don't need to read it in first: */
        if (!offset && len == folio_size(folio))
                goto out;

if (!offset && pos + len >= inode->v.i_size) {
                folio_zero_segment(folio, len, folio_size(folio));
                flush_dcache_folio(folio);
                goto out;
        }

if (folio_pos(folio) >= inode->v.i_size) {
                folio_zero_segments(folio, 0, offset, offset + len, folio_size(folio));
                flush_dcache_folio(folio);
                goto out;
        }
readpage:
        ret = bch2_read_single_folio(folio, mapping);
        if (ret)
                goto err;
out:
        ret = bch2_folio_set(c, inode_inum(inode), &folio, 1);
        if (ret)
                goto err;

ret = bch2_folio_reservation_get(c, inode, folio, res, offset, len);
        if (ret) {
                if (!folio_test_uptodate(folio)) {
                        /*
                         * If the folio hasn't been read in, we won't know if we
                         * actually need a reservation - we don't actually need
                         * to read here, we just need to check if the folio is
                         * fully backed by uncompressed data:
                         */
                        goto readpage;
                }

goto err;
        }

*foliop = folio;
        return 0;
err:
        folio_unlock(folio);
        folio_put(folio);
err_unlock:
        bch2_pagecache_add_put(inode);
        kfree(res);
        *fsdata = NULL;
        return bch2_err_class(ret);
}
```

#### write_end 写入结束

- 如果未复制数据，直接解锁返回
- 将页面标记为最新（uptodate）
- 更新文件大小（如果扩展）
- 标记页面为脏（dirty），触发后续写回
- 解锁页面并返回实际复制的字节数

```C++
static int fuse_write_end(struct file *file, struct address_space *mapping,
                loff_t pos, unsigned len, unsigned copied,
                struct folio *folio, void *fsdata)
{
        struct inode *inode = folio->mapping->host;

/* Haven't copied anything?  Skip zeroing, size extending, dirtying. */
        if (!copied)
                goto unlock;

pos += copied;
        if (!folio_test_uptodate(folio)) {
                /* Zero any unwritten bytes at the end of the page */
                size_t endoff = pos & ~PAGE_MASK;
                if (endoff)
                        folio_zero_segment(folio, endoff, PAGE_SIZE);
                folio_mark_uptodate(folio);
        }

if (pos > inode->i_size)
                i_size_write(inode, pos);

folio_mark_dirty(folio);

unlock:
        folio_unlock(folio);
        folio_put(folio);

return copied;
}
```

### Mmap 路径

## Page Caches写回(脏数据回写)

### 调用链

#### 1. 脏页达到阈值触发后台写回

- 脏页超过background_thresh时，唤醒后台写回线程
- 脏页超过dirty_thresh时，限流写入进程并强制写回
- 通过balance_dirty_pages()检测并触发

```C
写入进程产生脏页
  └─> folio_mark_dirty()
      └─> __mark_inode_dirty()
          └─> inode_io_list_move_locked()
              └─> wb_wakeup_delayed()
                  └─> mod_delayed_work()
                      └─> wb_workfn()                    [workqueue异步执行]
                          └─> wb_do_writeback()
                              └─> wb_writeback()
                                  ├─> queue_io()         [将脏inode加入b_io队列]
                                  └─> __writeback_inodes_wb()  ⭐
                                      └─> writeback_sb_inodes()  ⭐
                                          └─> writeback_single_inode()  ⭐
                                              └─> __writeback_single_inode()  ⭐
                                                  └─> do_writepages()  ⭐
                                                      └─> a_ops->writepages()  ⭐
                                                          └─> write_cache_pages()
                                                              └─> a_ops->writepage()  ⭐
```

#### 2. 显式同步操作

- fsync()/fdatasync()：同步单个文件
- sync()/syncfs()：同步整个文件系统
- sync_file_range()：同步文件指定范围

```C
fsync() / fdatasync()
  └─> vfs_fsync()
      └─> file->f_op->fsync()
          └─> file_write_and_wait_range()
              └─> __filemap_fdatawrite_range()
                  └─> filemap_fdatawrite_wbc()
                      └─> do_writepages()  ⭐  [直接调用，同步执行]
                          └─> a_ops->writepages()  ⭐
                              └─> write_cache_pages()
                                  └─> a_ops->writepage()  ⭐
              └─> filemap_fdatawait_range()  [等待写回完成]
                  └─> folio_wait_writeback()
```

#### 3. 内存压力触发写回

- 内存回收时，先写回脏页再回收
- 通过wakeup_flusher_threads(WB_REASON_VMSCAN)触发

```C
内存回收 (vmscan)
  └─> shrink_inode_list()
      └─> wakeup_flusher_threads(WB_REASON_VMSCAN)
          └─> __wakeup_flusher_threads_bdi()
              └─> wb_start_writeback()
                  └─> wb_wakeup()
                      └─> mod_delayed_work()
                          └─> wb_workfn()                    [workqueue异步执行]
                              └─> wb_do_writeback()
                                  └─> wb_writeback()
                                      ├─> queue_io()
                                      └─> __writeback_inodes_wb()  ⭐
                                          └─> writeback_sb_inodes()  ⭐
                                              └─> writeback_single_inode()  ⭐
                                                  └─> __writeback_single_inode()  ⭐
                                                      └─> do_writepages()  ⭐
                                                          └─> a_ops->writepages()  ⭐
                                                              └─> write_cache_pages()
                                                                  └─> a_ops->writepage()  ⭐
```

#### 4. 定时写回（Periodic Writeback）

- 定期写回旧数据（kupdate风格）
- 默认每dirty_writeback_interval秒执行一次

```C
定时器触发
  └─> wb_check_old_data_flush()
      └─> wb_writeback()
          ├─> queue_io()                    [选择旧脏页，dirtied_before参数]
          └─> __writeback_inodes_wb()  ⭐
              └─> writeback_sb_inodes()  ⭐
                  └─> writeback_single_inode()  ⭐
                      └─> __writeback_single_inode()  ⭐
                          └─> do_writepages()  ⭐
                              └─> a_ops->writepages()  ⭐
                                  └─> write_cache_pages()
                                      └─> a_ops->writepage()  ⭐
```

#### 5. 文件系统卸载

- 卸载前必须写回所有脏数据

```C
文件系统卸载
  └─> sync_filesystem()
      └─> sync_inodes_sb()
          └─> writeback_inodes_sb()
              └─> writeback_sb_inodes()  ⭐
                  └─> writeback_single_inode()  ⭐
                      └─> __writeback_single_inode()  ⭐
                          └─> do_writepages()  ⭐
                              └─> a_ops->writepages()  ⭐
                                  └─> write_cache_pages()
                                      └─> a_ops->writepage()  ⭐
```

#### 6. 页面回收（Page Reclaim）

- 回收脏页前先写回

```C
页面回收
  └─> shrink_folio_list()
      └─> folio_writeback()
          └─> writeback_inodes_wb()
              └─> __writeback_inodes_wb()  ⭐
                  └─> writeback_sb_inodes()  ⭐
                      └─> writeback_single_inode()  ⭐
                          └─> __writeback_single_inode()  ⭐
                              └─> do_writepages()  ⭐
                                  └─> a_ops->writepages()  ⭐
                                      └─> write_cache_pages()
                                          └─> a_ops->writepage()  ⭐
```

### PerBDI

> 本质上这些不同路径都是在向 BDI 提交任务，或者直接调用 bdi 的写回函数

#### 工作队列初始化

> 功能：创建全局写回工作队列bdi_wq，用于执行所有写回工作。

```Java
static int __init default_bdi_init(void)
{
    bdi_wq = alloc_workqueue("writeback", WQ_MEM_RECLAIM | WQ_UNBOUND |
                 WQ_SYSFS, 0);
    if (!bdi_wq)
        return -ENOMEM;
    return 0;
}
subsys_initcall(default_bdi_init);
```

#### bdi_writeback 初始化

- 初始化inode列表（b_dirty、b_io、b_more_io、b_dirty_time）
- 初始化工作列表（work_list）
- 初始化延迟工作项（dwork绑定到wb_workfn）
- 初始化写回带宽和限流参数

```C
static int wb_init(struct bdi_writeback *wb, struct backing_dev_info *bdi,
           gfp_t gfp)
{
    int err;

memset(wb, 0, sizeof(*wb));

wb->bdi = bdi;
    wb->last_old_flush = jiffies;
    INIT_LIST_HEAD(&wb->b_dirty);
    INIT_LIST_HEAD(&wb->b_io);
    INIT_LIST_HEAD(&wb->b_more_io);
    INIT_LIST_HEAD(&wb->b_dirty_time);
    spin_lock_init(&wb->list_lock);

atomic_set(&wb->writeback_inodes, 0);
    wb->bw_time_stamp = jiffies;
    wb->balanced_dirty_ratelimit = INIT_BW;
    wb->dirty_ratelimit = INIT_BW;
    wb->write_bandwidth = INIT_BW;
    wb->avg_write_bandwidth = INIT_BW;

spin_lock_init(&wb->work_lock);
    INIT_LIST_HEAD(&wb->work_list);
    INIT_DELAYED_WORK(&wb->dwork, wb_workfn);
    INIT_DELAYED_WORK(&wb->bw_dwork, wb_update_bandwidth_workfn);

err = fprop_local_init_percpu(&wb->completions, gfp);
    if (err)
        return err;

err = percpu_counter_init_many(wb->stat, 0, gfp, NR_WB_STAT_ITEMS);
    if (err)
        fprop_local_destroy_percpu(&wb->completions);

return err;
}
```

#### wb_do_writeback 执行写回操作

- 设置WB_writeback_running标志
- 从work_list获取工作项并执行
- 检查全量刷新、定时写回、后台写回
- 清除运行标志并返回已写回页面数

```C++
/*
 * Retrieve work items and do the writeback they describe
 */
static long wb_do_writeback(struct bdi_writeback *wb)
{
        struct wb_writeback_work *work;
        long wrote = 0;

set_bit(WB_writeback_running, &wb->state);
        while ((work = get_next_work_item(wb)) != NULL) {
                trace_writeback_exec(wb, work);
                wrote += wb_writeback(wb, work);
                finish_writeback_work(work);
        }

/*
         * Check for a flush-everything request
         */
        wrote += wb_check_start_all(wb);

/*
         * Check for periodic writeback, kupdated() style
         */
        wrote += wb_check_old_data_flush(wb);
        wrote += wb_check_background_flush(wb);
        clear_bit(WB_writeback_running, &wb->state);

return wrote;
}
```

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