原文：
1、http://www.voidcn.com/article/p-kmnnilin-kd.html
2、https://zhuanlan.zhihu.com/p/96659509
3、https://www.jianshu.com/p/01e1f4e398df
如果非要在整个Ceph中，找出一个类最重要，我觉得非Bufferlist莫属了，原因很简单，因为Bufferlist负责管理Ceph中所有的内存。整个Ceph中所有涉及到内存的操作，无论是msg分配内存接收消息，还是OSD构造各类数据结构的持久化表示（encode/decode），再到实际磁盘操作，都将bufferlist作为基础。
ceph::buffer是ceph非常底层的实现，负责管理ceph的内存。ceph::buffer的设计较为复杂，但本身没有任何内容，主要包含buffer::list、buffer::ptr、buffer::raw、buffer::hash。这三个类都定义在src/include/buffer.h和src/common/buffer.cc中。
buffer::raw：负责维护物理内存的引用计数nref和释放操作。
buffer::ptr：指向buffer::raw的指针。
buffer::list：表示一个ptr的列表（std::list<bufferptr>），相当于将N个ptr构成一个更大的虚拟的连续内存。
buffer::hash：一个或多个bufferlist的有效哈希。
buffer这三个类的相互关系可以用下面这个图来表示：
图中蓝色的表示bufferlist，橙色表示bufferptr，绿色表示bufferraw。
在这个图中，实际占用的系统内存一共就三段，分别是raw0，raw1和raw2代表的三段内存。其中：
raw0被ptr0，ptr1，ptr2使用
raw1被ptr3，ptr4，ptr6使用
raw2被ptr5，ptr7使用
而list0是由ptr0-5组成的，list1是由ptr6和ptr7组成的。
从这张图上我们就可以看出bufferlist的设计思路了： 对于bufferlist来说，仅关心一个个ptr。bufferlist将ptr连在一起，当做是一段连续的内存使用。因此，可以通过bufferlist::iterator一个字节一个字节的迭代整个bufferlist中的所有内容，而不需要关心到底有几个ptr，更不用关心这些ptr到底和系统内存是怎么对应的；也可以通过bufferlist::write_file方法直接将bufferlist中的内容出到一个文件中；或者通过bufferlist::write_fd方法将bufferlist中的内容写入到某个fd中。
与bufferlist相对的是负责管理系统内存的bufferraw。bufferraw只关心一件事：维护其所管理的系统内存的引用计数，并且在引用计数减为0时——即没有ptr再使用这块内存时，释放这块内存。
连接bufferlist和bufferraw的是bufferptr。bufferptr关心的是如何使用内存。每一个bufferptr一定有一个bufferraw为其提供系统内存，然后ptr决定使用这块内存的哪一部分。bufferlist只用通过ptr才能对应到系统内存中，而bufferptr而可以独立存在，只是大部分ptr还是为bufferlist服务的，独立的ptr使用的场景并不是很多。
通过引入ptr这样一个中间层次，bufferlist使用内存的方式可以非常灵活，这里可以举两个场景：
1. 快速encode/decode
在Ceph中经常需要将一个bufferlist编码（encode）到另一个bufferlist中，例如在msg发送消息的时候，通常msg拿到的osd等逻辑层传递给它的bufferlist，然后msg还需要给这个bufferlist加上消息头和消息尾，而消息头和消息尾也是用bufferlist表示的。这时候，msg通常会构造一个空的bufferlist，然后将消息头、消息尾、内容都encode到这个空的bufferlist。而bufferlist之间的encode实际只需要做ptr的copy，而不涉及到系统内存的申请和Copy，效率较高。
2. 一次分配，多次使用
我们都知道，调用malloc之类的函数申请内存是非常重量级的操作。利用ptr这个中间层可以缓解这个问题，即我们可以一次性申请一块较大的内存，也就是一个较大的bufferraw，然后每次需要内存的时候，构造一个bufferptr，指向这个bufferraw的不同部分。这样就不再需要向系统申请内存了。最后将这些ptr都加入到一个bufferlist中，就可以形成一个虚拟的连续内存。
关于作者1：袁冬博士，UnitedStack产品副总裁，负责UnitedStack产品、售前和对外合作工作；云计算专家，在云计算、虚拟化、分布式系统和企业级应用等方面有丰富的经验；对分布式存储、非结构数据存储和存储虚拟化有深刻地理解，在云存储和企业级存储领域有丰富的研发与实践经验；Ceph等开源存储项目的核心代码贡献者。
相关文章：https://www.jianshu.com/p/6c8b361cc665
源码分析 （http://bean-li.github.io/bufferlist-in-ceph/）
buffer::raw
介绍buffer list之前，我们必须先介绍buffer::raw和buffer::ptr。相对于buffer list，这两个数据结构相对比较容易理解。
class buffer::raw {
public:
char *data;
unsigned len;
atomic_t nref;
mutable simple_spinlock_t crc_spinlock;
map<pair<size_t, size_t>, pair<uint32_t, uint32_t> > crc_map;
...
}
注意，这个数据结构，data是个指针，指向真正的数据，而len记录了该buffer::raw数据区数据的长度，nref表示引用计数。
注意，data指针指向的数据可能有不同的来源，最容易想到的当然是malloc，其次我们以可以使用mmap通过创建匿名内存映射来分配空间，甚至我们可以通过pipe管道＋splice实现零拷贝获取空间。有些时候，分配的空间时，会提出对齐的要求，比如按页对齐。
这是因为这些来源不同，要求不同，buffer::raw也就有了一些变体：
buffer:raw_malloc
这个变体数据来源源自malloc，因此，创建的时候，需要通过malloc分配长度为len的空间，，而不意外，析构的时候，会掉用free释放空间。
class buffer::raw_malloc : public buffer::raw {
public:
explicit raw_malloc(unsigned l) : raw(l) {
if (len) {
data = (char *)malloc(len);
if (!data)
throw bad_alloc();
} else {
data = 0;
}
inc_total_alloc(len);
inc_history_alloc(len);
bdout << "raw_malloc " << this << " alloc " << (void *)data << " " << l << " " << buffer::get_total_alloc() << bendl;
}
raw_malloc(unsigned l, char *b) : raw(b, l) {
inc_total_alloc(len);
bdout << "raw_malloc " << this << " alloc " << (void *)data << " " << l << " " << buffer::get_total_alloc() << bendl;
}
~raw_malloc() {
free(data);
dec_total_alloc(len);
bdout << "raw_malloc " << this << " free " << (void *)data << " " << buffer::get_total_alloc() << bendl;
}
raw* clone_empty() {
return new raw_malloc(len);
}
};
buffer::raw_mmap_pages
顾名思义，也能够猜到，这个数据的来源是通过mmap分配的匿名内存映射。因此析构的时候，毫不意外，掉用munmap解除映射，归还空间给系统。
class buffer::raw_mmap_pages : public buffer::raw {
public:
explicit raw_mmap_pages(unsigned l) : raw(l) {
data = (char*)::mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANON, -1, 0);
if (!data)
throw bad_alloc();
inc_total_alloc(len);
inc_history_alloc(len);
bdout << "raw_mmap " << this << " alloc " << (void *)data << " " << l << " " << buffer::get_total_alloc() << bendl;
}
~raw_mmap_pages() {
::munmap(data, len);
dec_total_alloc(len);
bdout << "raw_mmap " << this << " free " << (void *)data << " " << buffer::get_total_alloc() << bendl;
}
raw* clone_empty() {
return new raw_mmap_pages(len);
}
};
buffer::raw_posix_aligned
看名字也看出来了，对空间有对齐的要求。Linux下posix_memalign函数用来分配有对齐要求的内存空间。这种分配方式分配的空间，也是用free函数来释放，将空间归还给系统。
class buffer::raw_posix_aligned : public buffer::raw {
unsigned align;
public:
raw_posix_aligned(unsigned l, unsigned _align) : raw(l) {
align = _align;
assert((align >= sizeof(void *)) && (align & (align - 1)) == 0);
#ifdef DARWIN
data = (char *) valloc (len);
#else
data = 0;
int r = ::posix_memalign((void**)(void*)&data, align, len);
if (r)
throw bad_alloc();
#endif /* DARWIN */
if (!data)
throw bad_alloc();
inc_total_alloc(len);
inc_history_alloc(len);
bdout << "raw_posix_aligned " << this << " alloc " << (void *)data << " l=" << l << ", align=" << align << " total_alloc=" << buffer::get_total_alloc() << bendl;
}
~raw_posix_aligned() {
::free((void*)data);
dec_total_alloc(len);
bdout << "raw_posix_aligned " << this << " free " << (void *)data << " " << buffer::get_total_alloc() << bendl;
}
raw* clone_empty() {
return new raw_posix_aligned(len, align);
}
};
后面还有基于pipe和splice的零拷贝方式，我们不赘述。从上面的函数不难看出，buffer::raw系列，就像他的名字一样，真的是很原生，并没有太多的弯弯绕，就是利用系统提供的API来达到分配空间的目的。
buffer::ptr
buffer::ptr是在buffer::raw系列的基础上，这个类也别名bufferptr。
src/include/buffer_fwd.h
#ifndef BUFFER_FWD_H
#define BUFFER_FWD_H
namespace ceph {
namespace buffer {
class ptr;
class list;
class hash;
}
using bufferptr = buffer::ptr;
using bufferlist = buffer::list;
using bufferhash = buffer::hash;
}
#endif
这个类的成员变量如下,这个类是raw这个类的包装升级版本，它的_raw就是指向buffer::raw类型的变量。
class CEPH_BUFFER_API ptr {
raw *_raw;
unsigned _off, _len;
......
}
很多操作都是很容易想到的：
buffer::ptr& buffer::ptr::operator= (const ptr& p)
{
if (p._raw) {
p._raw->nref.inc();
bdout << "ptr " << this << " get " << _raw << bendl;
}
buffer::raw *raw = p._raw;
release();
if (raw) {
_raw = raw;
_off = p._off;
_len = p._len;
} else {
_off = _len = 0;
}
return *this;
}
buffer::raw *buffer::ptr::clone()
{
return _raw->clone();
}
void buffer::ptr::swap(ptr& other)
{
raw *r = _raw;
unsigned o = _off;
unsigned l = _len;
_raw = other._raw;
_off = other._off;
_len = other._len;
other._raw = r;
other._off = o;
other._len = l;
}
const char& buffer::ptr::operator[](unsigned n) const
{
assert(_raw);
assert(n < _len);
return _raw->get_data()[_off + n];
}
char& buffer::ptr::operator[](unsigned n)
{
assert(_raw);
assert(n < _len);
return _raw->get_data()[_off + n];
}
int buffer::ptr::cmp(const ptr& o) const
{
int l = _len < o._len ? _len : o._len;
if (l) {
int r = memcmp(c_str(), o.c_str(), l);
if (r)
return r;
}
if (_len < o._len)
return -1;
if (_len > o._len)
return 1;
return 0;
}
bufferlist
bufferlist才是我们的目的地，前两个类其实是比较容易理解的，但是bufferlist相对复杂一点。
bufferlist是buffer::list的别名：
#ifndef BUFFER_FWD_H
#define BUFFER_FWD_H
namespace ceph {
namespace buffer {
class ptr;
class list;
class hash;
}
using bufferptr = buffer::ptr;
using bufferlist = buffer::list;
using bufferhash = buffer::hash;
}
#endif
class CEPH_BUFFER_API list {
// my private bits
std::list<ptr> _buffers;
unsigned _len;
unsigned _memcopy_count; //the total of memcopy using rebuild().
ptr append_buffer; // where i put small appends
多个bufferptr形成一个list，这就是bufferlist。成员变量并无太多难以理解的地方，比较绕的是bufferlist的迭代器 ，理解迭代器，就不难理解bufferlist各个操作函数。
要理解bufferlist 迭代器，，首先需要理解迭代器成员变量的含义。
_buffers是一个ptr的链表，_len是整个_buffers中所有的ptr的数据的总长度，_memcopy_count用于统计memcopy的字节数，append_buffer是用于优化append操作的缓冲区，可以看出bufferlist将数据以不连续链表的方式存储。
bl_t* bl;
list_t* ls; // meh.. just here to avoid an extra pointer dereference..
unsigned off; // in bl
list_iter_t p;
unsigned p_off; // in *p
- bl：指针，指向bufferlist
- ls：指针，指向bufferlist的成员 _buffers
- p: 类型是std::list::iterator，用来迭代遍历bufferlist中的bufferptr
- p_off ： 当前位置在对应的bufferptr的偏移量
- off： 如果将整个bufferlist看成一个buffer::raw,当前位置在整个bufferlist的偏移量
这个递进关系比较明显，从宏观的bufferlist，递进到内部的某个bufferptr，再递进到bufferptr内部raw数据区的某个偏移位置。 此外还包含了当前位置在整个bufferlist的偏移量off。
注意p_off和off容易产生误解，请阅读seek函数仔细揣摩
seek(unsigned o)，顾名思义就是将位置移到o处，当然o指的是整个bufferlist的o处。ceph实现了一个更通用的advance，接受一个int型的入参。
如果o>0,表示向后移动，如果o小于0，表示想前移动。移动的过程中可能越过当前的bufferptr之指向的数据区。
template<bool is_const>
void buffer::list::iterator_impl<is_const>::advance(int o)
{
//cout << this << " advance " << o << " from " << off << " (p_off " << p_off << " in " << p->length() << ")" << std::endl;
if (o > 0) {
p_off += o;
while (p_off > 0) {
if (p == ls->end())
throw end_of_buffer();
if (p_off >= p->length()) {
// skip this buffer
p_off -= p->length();
p++;
} else {
// somewhere in this buffer!
break;
}
}
off += o;
return;
}
while (o < 0) {
if (p_off) {
unsigned d = -o;
if (d > p_off)
d = p_off;
p_off -= d;
off -= d;
o += d;
} else if (off > 0) {
assert(p != ls->begin());
p--;
p_off = p->length();
} else {
throw end_of_buffer();
}
}
}
template<bool is_const>
void buffer::list::iterator_impl<is_const>::seek(unsigned o)
{
p = ls->begin();
off = p_off = 0;
advance(o);
}
除此以外，获取当前位置的ptr也很有意思，理解该函数也有帮助理解迭代器五个成员的含义。
template<bool is_const>
buffer::ptr buffer::list::iterator_impl<is_const>::get_current_ptr() const
{
if (p == ls->end())
throw end_of_buffer();
return ptr(*p, p_off, p->length() - p_off);
}
相当于多个bufferptr对应的buffer::raw组成了一个可能不连续的buffer列表，因此使用起来可能不方便，ceph出于这种考虑，提供了rebuild的函数。该函数的作用是，干脆创建一个buffer::raw，来提供同样的空间和内容。
void buffer::list::rebuild()
{
if (_len == 0) {
_buffers.clear();
return;
}
ptr nb;
if ((_len & ~CEPH_PAGE_MASK) == 0)
nb = buffer::create_page_aligned(_len);
else
nb = buffer::create(_len);
rebuild(nb);
}
void buffer::list::rebuild(ptr& nb)
{
unsigned pos = 0;
for (std::list<ptr>::iterator it = _buffers.begin();
it != _buffers.end();
++it) {
nb.copy_in(pos, it->length(), it->c_str(), false);
pos += it->length();
}
_memcopy_count += pos;
_buffers.clear();
if (nb.length())
_buffers.push_back(nb);
invalidate_crc();
last_p = begin();
}
从下面测试代码中不难看出rebuild的含义，就是划零为整，重建一个buffer::raw来提供空间
{
bufferlist bl;
const std::string str(CEPH_PAGE_SIZE, 'X');
bl.append(str.c_str(), str.size());
bl.append(str.c_str(), str.size());
EXPECT_EQ((unsigned)2, bl.buffers().size());
bl.rebuild();
EXPECT_EQ((unsigned)1, bl.buffers().size());
}
理解了上述的内容，bufferlist剩余的上千行代码，基本也就变成了流水账了，不难理解了，在此就不再赘述了。
更多文章：
《ceph源码阅读 buffer》https://zhuanlan.zhihu.com/p/96659509
《ceph：bufferlist实现》https://www.it610.com/article/1231080926906257408.htm
ceph 博客：http://bean-li.github.io/
bufferlist是buffer::list的别名，其由来在 http://bean-li.github.io/bufferlist-in-ceph/ 中有非常详细的介绍
其p、p_off、off字段的含义可以通过advance(int o)函数来理解
简单来说，p就说指向_buffer的迭代器，p_off则是在当前buffer::ptr的_raw中的偏移，而off则是把_buffer中的_raw视为一个整体时的当前偏移。如下图中，o为1000时，则p为ptr3，p_off为200（由1000-500-300得来），而off则为1000.
