Linux块层深入解析：多队列结构与块I/O

本文主要介绍了Linux块层中的多队列结构体，包括`blk_mq_ctx`和`blk_mq_hw_ctx`，并探讨了块层的总体逻辑，分为bio层和request层，重点在于多队列的设计。 在Linux内核的块层中，多队列结构体对于提高I/O性能至关重要，特别是对于现代硬件如固态硬盘（SSD）和多核心处理器环境。`blk_mq_ctx`结构体代表软件提交队列，用于管理请求的提交和合并。它包含一个自旋锁`lock`保护的请求列表`rq_list`，用于线程安全地添加和移除请求。此外，`blk_mq_ctx`还跟踪已调度和已完成的请求计数，以及与硬件队列的关联信息。 `blk_mq_hw_ctx`结构体则是硬件队列的状态结构，面向硬件块设备。它维护了一个用于调度的列表`dispatch`，一个状态标志`state`，以及用于工作调度的`delayed_work`和CPU亲和性信息`cpumask`。通过`blk_mq_ops`中的`map_queues`函数，软件队列和硬件队列之间的映射得以建立，并在`request_queue`的`mq_map`中保存。 块层的逻辑结构分为两层：bio层和request层。bio层主要处理由文件系统生成的bio（Block I/O）结构体，通过`generic_make_request`函数将其传递到request层。request层是块层的核心，负责请求的调度和执行。在单队列模式下，所有请求都在一个队列中处理，适合传统旋转磁盘，因为它们的机械臂限制了同时处理的请求数量。而在多队列模式下，多个队列并行处理请求，提高了I/O效率，尤其适用于多核心系统和高性能存储设备。 多队列设计的主要目标是优化I/O路径，通过合并连续操作到一组请求中，以减少寻道时间和提高磁盘利用率。这通常通过调度策略来实现，调度器会检查新请求是否可以合并到现有请求，以创建更大、更连续的I/O请求。 Linux块层的多队列结构体和设计是现代操作系统中高效I/O处理的关键，它能够充分利用硬件能力，优化I/O性能，同时适应不同类型的存储设备。随着硬件的发展，多队列设计的重要性只会继续增加。