Linux内核Block层解析

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"Linux那些事儿之我是Block层，深入讲解了Linux内核2.6.22.1中的Block IO层，包括Block子系统的初始化、块设备驱动的注册、内存管理和SCSI命令的解析等核心概念。" 在Linux操作系统中，Block层是内核的重要组成部分，主要负责处理硬件设备如硬盘、SSD等的I/O操作。这个部分的职责在于将高层文件系统对块设备的操作抽象化，提供一种统一的接口，使得不同的硬件设备能以相同的方式被访问和管理。首先，Block层的初始化是系统启动过程中不可或缺的一环。在这个过程中，内核会识别并设置好所有的块设备，为后续的设备驱动注册和数据传输做好准备。初始化通常包括加载驱动模块、配置设备队列以及设置缓冲区等步骤。接着，注册一个块设备驱动是使硬件设备能够被系统识别和使用的前提。驱动程序通过向Block层注册，声明其对特定硬件的支持，包括设备的主次设备号、驱动功能以及设备操作函数等。这使得内核能够调用驱动提供的接口来执行读写等操作。在Block层中，内存管理是一个关键主题。"内存申请为哪般?"这部分可能涉及到如何有效地分配和管理内存，以便高效地缓存数据和命令，减少与硬件交互的次数，提高I/O性能。这可能包括如何使用slab分配器、bio结构体的使用以及如何利用内存映射技术优化数据传输。 "浓缩就是精华"这部分可能详细解释了Block层如何将大块的I/O请求分解为更小的单位，比如使用bio结构体进行I/O合并，以减少系统调用的开销，提高系统效率。这部分可能还会介绍如何通过预读和写后延迟策略来优化I/O性能。关于SCSI命令的前世今生，这部分内容可能详细剖析了SCSI协议在Block层中的实现，包括SCSI命令的构造、发送、响应处理等，以及如何通过SCSI层与硬件控制器进行通信。这部分可能涵盖了SCSI命令的多个方面，如读写命令、控制命令等。最后，"传说中的内存映射"部分可能会探讨内核如何通过内存映射技术将设备的物理地址映射到用户空间，使得应用程序可以直接访问设备数据，而无需经过内核态的转换，从而提高I/O速度。总而言之，"Linux那些事儿之我是Block层"详细介绍了Linux内核Block层的诸多细节，对于理解Linux系统如何管理硬件设备和进行高效的I/O操作提供了深入的洞见。无论是开发者还是系统管理员，都能从中受益匪浅。

Linux 那些事儿之我是 Block 层

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49 for (i = 0; i < n; i++, p++) {

50 p->owner = module;

51 p->get = probe;

52 p->lock = lock;

53 p->dev = dev;

54 p->range = range;

55 p->data = data;

56 }

57 mutex_lock(domain->lock);

58 for (i = 0, p -= n; i < n; i++, p++, index++) {

59 struct probe **s = &domain->probes[index % 255];

60 while (*s && (*s)->range < range)

61 s = &(*s)->next;

62 p->next = *s;

63 *s = p;

64 }

65 mutex_unlock(domain->lock);

66 return 0;

67 }

结合我们的 sd_probe 函数来看,我们在 sd_probe()中说了,first_minor 无非就是 0,16,32,48 这样

一系列的数,而 minors 总是 16,换言之按照这里我们的上下文 range 就是 16,这种情况下 n 只

能是 1.

Domain 就是 bdev_map,于是我们即便不看代码也能猜到,这个函数的主要目的就是为

bdev_map 的 probes 这个指针数组赋值,假设我们的 major 是 8,那么这里就是为 probes[8]赋值.

对比形参实参可以看到,我们为 get 指针赋的是 exact_match().这个函数同样来自于

block/genhd.c:

160 static struct kobject *exact_match(dev_t dev, int *part, void *data)

161 {

162 struct gendisk *p = data;

163 return &p->kobj;

164 }

即,比如说我们的 index 或者说 major number 是 8 的话,那么这之后,bdev_map->probes[8]所对

应的 get 指针就指向了 exact_match.

同时,data 指针赋上了 disk,即 struct gendisk 指针 disk.

老实说,现在我们完全看不出这么做的意义,或者说 blk_register_region 这个函数究竟有什么

价值现在完全体现不出来.但是其实这是 Linux 中实现的一种管理设备号的机制,这里利用了

传说中的哈希表来管理设备号,哈希表的优点大家知道,便于查找,而我们的目的是为了通过

给定的一个设备号就能迅速得到它所对应的 kobject 指针,对于块设备来说,得到 kobject 是为

了得到其对应的 gendisk.

那么什么时候会需要这样做呢?Ok,比如你执行 fdisk –l /dev/sda,从而 open 系统调用或者说函

数 sys_open 会被执行,如果你一路跟踪,你会发现到后来会有一个叫做 get_gendisk()的函数被

调用.这个函数实际上也是我们这边定义的,来自 block/genhd.c:

203 /**

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204 * get_gendisk - get partitioning information for a given device

205 * @dev: device to get partitioning information for

206 *

207 * This function gets the structure containing partitioning

208 * information for the given device @dev.

209 */

210 struct gendisk *get_gendisk(dev_t dev, int *part)

211 {

212 struct kobject *kobj = kobj_lookup(bdev_map, dev, part);

213 return kobj ? to_disk(kobj) : NULL;

214 }

于是我们来看 kobj_lookup().来自 drivers/base/map.c:

96 struct kobject *kobj_lookup(struct kobj_map *domain, dev_t dev, int *index)

97 {

98 struct kobject *kobj;

99 struct probe *p;

100 unsigned long best = ~0UL;

101

102 retry:

103 mutex_lock(domain->lock);

104 for (p = domain->probes[MAJOR(dev) % 255]; p; p = p->next) {

105 struct kobject *(*probe)(dev_t, int *, void *);

106 struct module *owner;

107 void *data;

108

109 if (p->dev > dev || p->dev + p->range - 1 < dev)

110 continue;

111 if (p->range - 1 >= best)

112 break;

113 if (!try_module_get(p->owner))

114 continue;

115 owner = p->owner;

116 data = p->data;

117 probe = p->get;

118 best = p->range - 1;

119 *index = dev - p->dev;

120 if (p->lock && p->lock(dev, data) < 0) {

121 module_put(owner);

122 continue;

123 }

124 mutex_unlock(domain->lock);

125 kobj = probe(dev, index, data);

126 /* Currently ->owner protects _only_ ->probe() itself. */

127 module_put(owner);

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128 if (kobj)

129 return kobj;

130 goto retry;

131 }

132 mutex_unlock(domain->lock);

133 return NULL;

134 }

现在我们隐隐约约的感觉到,kobj_map_init()和 kobj_map()以及 kobj_lookup()是一个系列的,

它们都是为 Linux 设备号管理服务的,就好比舒淇,李丽珍,钟丽缇是一个系列的,她们都是为

三级片市场服务的.首先,kobj_map_init 提供的是一次性服务,它的使命是建立了 bdev_map 这

个 struct kobj_map.然后 kobj_map 是每次在 blk_register_region 中被调用的,然而,在这个五彩

缤纷的世界中,调用 blk_register_region()的地方可真不少,随便一搜索就是一大把,而我们这个

在 add_disk 中调用只是其中之一,其它的比如 RAID 驱动那边,软驱驱动那边,都会有调用这个

blk_register_region 的需求,而 kobj_lookup()发生在什么情况下呢?它提供的其实是售后服务.

当块设备驱动完成了初始化工作,当它在内核中站稳了脚跟,会有一个设备文件和它相对应,

这个文件会出现在/dev目录下.在不久的将来,当open系统调用试图打开块设备文件的时候就

会调用它, 更准确地说,sys_open 经由 filp_open 然后是 dentry_open(), 最终会找到

blkdev_open,blkdev_open 会调用 do_open,do_open()会调用 get_gendisk(),要想明白这个理儿,

得先看一下

dev_t 这个结构.dev_t 实际上就是 u32,也即就是 32 个 bits.前面咱们看到的

MKDEV,MAJOR,都来自 include/linux/kdev_t.h:

4 #define MINORBITS 20

5 #define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)

7 #define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))

8 #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))

9 #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

通过这几个宏,我们不难看出 dev_t 的意义了,32 个 bits,其中高 12 位被用来记录设备的主设备

号,低 20 位用来记录设备的次设备号.而 MKDEV 就是建立一个设备号.ma 代表主设备号,mi

代表次设备号,ma 左移 20 位再和 mi 相或,反过来,MAJOR 就是从 dev 中取主设备号,MINOR

就是从 dev 中取次设备号.不多说了,杭州西湖畔拉皮条的都知道怎么回事了.

当一个设备闯入 Linux 的内心时,首先它会有一个居住证号,这就是 dev_t,很显然,每个人的居

住证号不一样,它是唯一的.(为什么不说是身份证号?因为居住证意味着当设备离开 Linux 系

统的时候就可以销毁,所以它更能体现设备的流动性.)建立一个设备文件的时候,其设备号是

确定的,而我们每次建立一个文件都会建立一个结构体变量,它就是 struct inode,而 struct inode

拥有成员 dev_t i_dev,所以日后我们从 struct inode

就可以得到其设备号 dev_t,而这里

kobj_map 这一系列函数使得我们可以从 dev_t 找到对应的 kobject,然后进一步作为磁盘驱动,

我们不可避免的需要访问磁盘对应的 gendisk 结构体指针,而 get_gendisk()就是在这时候应运

而生并粉墨登场的.咱们看到 get_gendisk()的两个参数,dev_t dev 和 int *part,前者就是设备号,

而后者传递的是一个指针,这表示什么呢?这表示,

1. 如果这个设备号对应的是一个分区,那么 part 变量就用来保存分区的编号.

2. 如果这个设备号对应的是整个设备而不是某个分区,那么 part 就只要设置成 0 就 ok 了.

那么得到 gendisk 的目的又是什么呢?我们注意到 struct gendisk 有一个成员,struct

block_device_operations *fops,而这个指针才是用来真正执行操作的,每一个块设备驱动都准

备了这么一个结构体,比如咱们在 sd 中定义的那个:

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497 if (disk->minors == 1)

498 goto exit;

499

500 /* No such device (e.g., media were just removed) */

501 if (!get_capacity(disk))

502 goto exit;

503

504 bdev = bdget_disk(disk, 0);

505 if (!bdev)

506 goto exit;

507

508 /* scan partition table, but suppress uevents */

509 bdev->bd_invalidated = 1;

510 disk->part_uevent_suppress = 1;

511 err = blkdev_get(bdev, FMODE_READ, 0);

512 disk->part_uevent_suppress = 0;

513 if (err < 0)

514 goto exit;

515 blkdev_put(bdev);

516

517 exit:

518 /* announce disk after possible partitions are already created */

519 kobject_uevent(&disk->kobj, KOBJ_ADD);

520

521 /* announce possible partitions */

522 for (i = 1; i < disk->minors; i++) {

523 p = disk->part[i-1];

524 if (!p || !p->nr_sects)

525 continue;

526 kobject_uevent(&p->kobj, KOBJ_ADD);

527 }

528 }

如果你不懂 Linux 2.6 的统一设备模型,那你要看懂这段代码估计够呛.但好在我们在<<我是

Sysfs>>中对 kobject 方面的东西做了介绍.所以这里我们不会深入到 kobject 相关的函数内部

中去,也不会深入到 sysfs 提供的函数内部,点到为止.

首先 487 行这个 kobject_add 的作用是很直观的,在 Sysfs 中为这块磁盘建一个子目录.就比如

下面这些目录中的那个 sdf,就是为我的 U 盘而建立的,我要是把这个调用 kobject_add 函数这

行注释掉,保证你就看不到这个 sdf 目录.

[root@lfg2 ~]# ls /sys/block/

md0 ram1 ram11 ram13 ram15 ram3 ram5 ram7 ram9 sdb sdd sdf ram0

ram10 ram12 ram14 ram2 ram4 ram6 ram8 sda sdc sde sdg

这时候网友”塞翁失身”提出两个问题:

第一,为什么 kobject_add 这么一调用,生成的这个子目录的名字就叫做”sdf”,而不叫做别的?君

还记得在 sd_probe 中我们做过一件事情么,当时我们可是精心计算过 disk_name 的,而

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crifan

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