从零写OS（二十九）：block cache —— 给磁盘加一层缓存

Fri, 15 May 2026 02:00:00 +0000

Linux 内核里有个叫 page cache（以前叫 buffer cache）的东西，所有磁盘 IO 都要经过它。为什么？因为磁盘太慢了——ATA PIO 读一个扇区要等几毫秒，而内存访问只要几纳秒。把最近访问过的扇区留在内存里，下次再访问直接从内存读，速度提升几千倍。

这一章给我们的 ext2 文件系统加上这层缓存，同时顺手修了一个隐藏很深的调度器 bug。

设计：LRU write-back 缓存

最简单够用的设计：固定 64 个 slot，每个 slot 缓存一个 512 字节扇区，LRU 淘汰，write-back 写回。

typedef struct {
    uint32_t lba;
    uint8_t  data[512];
    uint8_t  valid;
    uint8_t  dirty;
    uint32_t lru_time;
} bcache_slot_t;

static bcache_slot_t slots[64];
static uint32_t      clock = 0;

lru_time 用一个全局 clock 计数器实现——每次访问 clock++，命中的 slot 拿到最新值，淘汰时找 lru_time 最小的那个。

bcache_get(lba)

uint8_t *bcache_get(uint32_t lba) {
    clock++;

    // 命中？
    for (int i = 0; i < 64; i++) {
        if (slots[i].valid && slots[i].lba == lba) {
            slots[i].lru_time = clock;
            return slots[i].data;
        }
    }

    // 找 LRU victim
    int victim = 0;
    for (int i = 1; i < 64; i++) {
        if (!slots[i].valid) { victim = i; break; }
        if (slots[i].lru_time < slots[victim].lru_time) victim = i;
    }

    // victim 是 dirty 的？先写回磁盘
    if (slots[victim].valid && slots[victim].dirty)
        ata_write_sector(slots[victim].lba, slots[victim].data);

    // 读新扇区
    ata_read_sector(lba, slots[victim].data);
    slots[victim] = (bcache_slot_t){ lba, ..., valid=1, dirty=0, lru_time=clock };
    return slots[victim].data;
}

返回的是指向缓存数据的指针，调用方可以直接读写这块内存。写完后调 bcache_dirty(lba) 标记为脏。

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从零写OS（二十九）：block cache —— 给磁盘加一层缓存

设计：LRU write-back 缓存

bcache_get(lba)