Linux内核中的块设备I/O流程解析

"本文主要介绍了块设备IO流程，包括块设备的概念、特点，以及内核中块设备管理和请求处理的块I/O层。此外，还深入解析了块设备的内部结构，如扇区、块的区别，以及缓冲区和缓冲区头的作用。" 块设备和字符设备是操作系统中两种主要的设备类型。块设备，如硬盘，允许随机访问固定大小的块，这些块通常由扇区组成，扇区是最小的可寻址单位，通常是512字节。相比之下，字符设备如串口和键盘则按字节流顺序访问，不支持随机访问。块设备的管理是内核中的关键任务，因为它涉及到高效的数据读写。 在块设备中，软件使用的最小逻辑单位是块，它可能是多个扇区的组合，但不超过一个页面的大小。文件系统基于块进行操作，而磁盘操作则是以块为单位进行的。当需要读取或写入数据时，数据会被存放在内存中的缓冲区，每个缓冲区对应于磁盘上的一个块。 缓冲区头（buffer_head）是内核中用来管理这些缓冲区的关键结构，它包含了关于磁盘块和内存缓冲区之间映射关系的信息。buffer_head结构体的h_count字段用于跟踪缓冲区的使用情况，确保在操作过程中不会被误分配。缓冲区头还记录了块的状态，如脏（已修改但未写回磁盘）、干净（与磁盘一致）或过期等。 在2.6内核之前，内核使用缓冲区头来跟踪块的状态，但不直接与底层驱动交互。当需要将数据提交到磁盘时，会使用bio（block I/O）结构体，它收集了由buffer_head描述的块状态，并将信息传递给底层驱动程序，从而在内核的高层和驱动程序之间建立起桥梁。 块设备I/O流程大致如下： 1. 应用程序发起对块设备的读/写请求。 2. 请求被提交到块I/O层，这里可能会进行请求合并和优化。 3. 缓冲区头被创建或查找，以对应请求的磁盘块。 4. 如果数据不在内存中，缓冲区将从磁盘读取，或者如果数据已修改，缓冲区将被标记为“脏”并排队等待写回。 5. 使用bio结构体收集需要处理的块信息，并传递给底层驱动程序执行实际的磁盘操作。 6. 完成操作后，缓冲区头的引用计数减一，若计数为零，缓冲区可能被释放。 这个过程确保了内核能有效地管理块设备的I/O操作，优化了数据传输的效率，并保证了数据的一致性。理解块设备的I/O流程对于系统管理员和内核开发者来说至关重要，因为这有助于诊断和解决与磁盘性能相关的问题。