Linux内核学习（十）—— 块 I/O 层（基于Linux 2.6内核）

目录

一、剖析一个块设备

二、缓冲区和缓冲区头

三、bio 结构体

四、请求队列

五、I/O 调度程序

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系统中能够随机（不需要按顺序）访问固定大小数据片（chunks）的硬件设备称作块设备，这些固定大小的数据片就称作块。最常见的块设备为硬盘，其他的还有软盘驱动器、闪存等，它们都是以安装文件系统的方式使用的。

另一种基本的设备类型是字符设备。字符设备按照字符流的方式被有序访问，像串口和键盘就属于字符设备。

对于这两种类型的设备，它们的区别在于是否可以随机访问数据。内核对块设备的管理需要有一个专门提供服务的子系统，对字符设备的管理则不需要。

一、剖析一个块设备

块设备中最小的可寻址单位是扇区。扇区大小一般是 2 的整数倍，最常见的是 512 字节。扇区的大小是设备的物理属性。

在软件层面上，最小逻辑可寻址单元为块。块是文件系统的一种抽象，只能基于块来访问文件系统。虽然物理磁盘寻址是按照扇区进行的，但是内核执行的所有操作都是按照块进行的。所以块不能比扇区还小，只能倍数于扇区大小。

总之，扇区是设备的最小寻址单元，也被称为 “硬扇区” 或 “设备块”；同样地，块是文件系统的最小寻址单元，也被称为 “文件块” 或 “I/O 块”。

二、缓冲区和缓冲区头

当一个块被调入内存时（在读入后或等待写出时），它要存储在一个缓冲区中。每个缓冲区与一个块对应，它相当于是磁盘块在内存中的表示。一个页可以容纳一个或多个内存中的块。由于内核在处理数据时需要一些相关的控制信息（比如一个块属于哪个块设备，块对应于哪个缓冲区等），所以每一个缓冲区都有一个对应的描述符 buffer_head 结构体，称为缓冲区头，定义在 <linux/buffer_head.h>，它包含了内核操作缓冲区所需要的全部信息：

但是，将缓冲区头作为 I/O 操作单元带来了两个弊端：

• 缓冲区头是一个很大且不容易控制的数据结构体，而且缓冲区头对数据的操作既不方便也不清晰。
• 它仅能描述单个缓冲区，缓冲区头会促使内核八大块数据的 I/O 操作分解为多个 buffer_head 结构体进行操作。 

所以后面为块 I/O 操作引入了一种新型、灵活并轻量级的容器——bio 结构体。

三、bio 结构体

目前内核中块 I/O 操作的基本容器由 bio 结构体表示，定义在 <linux/bio.h>。该结构体代表了正在活动的以片段（segment）链表形式组织的块 I/O 操作。一个片段是一小块连续的内存缓冲区，而片段链表可以使一个缓冲区分散在内存的多个位置上，bio 结构体能对内核保证 I/O 操作的执行，像这样的向量 I/O 就是所谓的聚散 I/O。

bio 结构体定义于 <linux/bio.h> 中：

使用 bio 结构体的目的主要是代表正在现场执行的 I/O 操作，所以该结构体中的主要域都是用来管理相关信息的：

bi_io_vec 域指向一个 bio_vec 结构体数组，该结构体链表包含了一个特定 I/O 操作所需要使用到的所有片段。每个 bio_vec 结构都是一个形式为 <page, offset, len> 的向量，它描述的是一个特定的片段：片段所在的物理页、块在物理页中的偏移位置、块长度。

总之，每一个块 I/O 请求都通过一个 bio 结构体表示，每个请求包含一个或多个块，这些块存储在 bio_vec 结构体数组中，bio_vec 结构体描述了每个片段在物理页中的实际位置，并且像向量一样被组织在一起。

bio 结构体代表的是 I/O 操作，它包含内存中的一个或多个页；而 buffer_head 结构体代表的是一个缓冲区，它描述的仅仅是磁盘中的一个块。

四、请求队列

块设备将它们挂起的块 I/O 请求保存在请求队列中，该队列由 request_queue 结构体表示，定义在文件 <linux/blkdev.h> 中，包含一个双向请求链表以及相关控制信息。

队列中的请求由结构体 request 表示，一个请求可能要操作多个连续的磁盘块，所以每个请求可以由多个 bio 结构体组成。

五、I/O 调度程序

磁盘寻址是整个计算机中最慢的操作之一，为了缩短寻址时间，Linux 引入了 I/O 调度程序。

I/O 调度程序将磁盘 I/O 资源分配给系统中所有挂起的块 I/O 请求。I/O 调度程序通过两种方法减少磁盘寻址时间：合并与排序。

• 合并指将两个或多个请求结合成一个新请求，即如果两个请求访问的磁盘扇区相邻，那么可以把两个请求合并为一个请求，这样可以将 I/O 多次请求的开销压缩成一次请求的开销。
• 排序指将整个请求队列按扇区增长方向有序排列，通过保持磁盘头以直线方向移动，从而缩短所有请求的磁盘寻址时间。这种 I/O 调度程序也被称为电梯调度。

Linux 实际使用的 I/O 调度程序有如下几种：

• Linux 电梯
• 最终期限 I/O 调度程序
• 预测 I/O 调度程序
• 完全公正的排队 I/O 调度程序
• 空操作的 I/O 调度程序