块设备

块设备

在linux下，文件的缓存习惯性的称之为Page cache，而更低一个级的设备的缓存称之为Buffer cache。Page cache用于缓存文件的内容，和文件系统比较相关。文件的内容需要映射到实际的物理磁盘，这种映射关系由文件系统来完成；Buffer cache用于缓存存储设备块（比如磁盘扇区）的数据，而不关心是否有文件系统的存在（文件系统的元数据缓存在buffer cache中）

除了传统的Buffered IO可以比较自由的用偏移+长度的方式读写文件之外，mmap和Direct IO均有数据俺也对齐的要求，Direct IO还限制读写必须是底层存储设备块大小的整数倍

syscall read

下图为读磁盘文件read系统调用在内核的路径

重要数据结构

其中重要的数据结构包含struct request结构，该结构就是struct bio结构链表的封装

struct request_queue结构中包含了struct request链表的头，在request结构中包含了bio结构的头，bio结构中包含了bi_io_vec数组头，数组中每个元素描述了io操作中的一个段，bi_vcnt是段的总数。每个struct request代表一个请求，链表组成一个队列，存放到了struct request_queue中，最终传送的数据存放在bio_io_vec数组中的元素中，经过blk_rq_map_sg()函数将要传输的数据页映射成分散聚集struct scatterlist表 cbio和buffer指向第一个没有被传送的bio结构，每个bio都标识一个磁盘存储区标识符（存储区中的起始扇区号和扇区数）和一个或者多个描述与IO操作相关的内存区的段。即要读写设备的的磁盘扇区，与内存中数据的位置

/**
 * 通用块的核心数据结构。它描述了块设备的IO操作。
 * 通用块层是一个内核组件，它处理来自系统中的所有块设备发出的请求。
 * 每个bio都标识一个磁盘存储区标识符（存储区中的起始扇区号和扇区数，扇区号是逻辑块号，不是真正物理上的扇区号）。
 * 和一个或者多个描述与IO操作相关的内存区的段。
 */
struct bio {
	/**
	 * 块IO操作的第一个磁盘扇区
	 */
	sector_t		bi_sector;
	/**
	 * 链接到请求队列中的下一个bio
	 */
	struct bio		*bi_next;	/* request queue link */
	/**
	 * 指向块设备描述符的指针
	 */
	struct block_device	*bi_bdev;
	/**
	 * bio的状态标志。 
	 * 如果是写请求，最低有效位将被设置。需要使用bio_data_dir宏来确定读写标志。
	 */
	unsigned long		bi_flags;	/* status, command, etc */
	/**
	 * io操作标志。 
	 */
	unsigned long		bi_rw;		/* bottom bits READ/WRITE,
               						 * top bits priority
               						 */
	/**
	 * bio的bio_vec数组中的数目。
	 */
	unsigned short		bi_vcnt;	/* how many bio_vec's */
	/**
	 * bio的bio_vec数组中段的当前索引值
	 */
	unsigned short		bi_idx;		/* current index into bvl_vec */

	/* Number of segments in this BIO after
	 * physical address coalescing is performed.
	 */
	/**
	 * 合并之后bio中物理段的数目
	 */
	unsigned short		bi_phys_segments;

	/* Number of segments after physical and DMA remapping
	 * hardware coalescing is performed.
	 */
	/**
	 * 合并之后硬件段的数目。
	 */
	unsigned short		bi_hw_segments;

	/**
	 * 需要传送的字节数
	 */
	unsigned int		bi_size;	/* residual I/O count */

	/*
	 * To keep track of the max hw size, we account for the
	 * sizes of the first and last virtually mergeable segments
	 * in this bio
	 */
	/**
	 * 硬件段合并算法使用
	 */
	unsigned int		bi_hw_front_size;
	/**
	 * 硬件段合并算法使用
	 */
	unsigned int		bi_hw_back_size;

	/**
	 * bio的bio_vec数组中允许的最大段数
	 */
	unsigned int		bi_max_vecs;	/* max bvl_vecs we can hold */

	/**
	 * 指向bio的bio_vec数组的指针，它描述了要传送的数据缓冲区。
	 */
	struct bio_vec		*bi_io_vec;	/* the actual vec list */

	/**
	 * bio的IO操作结束时调用的方法
	 */
	bio_end_io_t		*bi_end_io;
	/**
	 * bio的引用计数器
	 */
	atomic_t		bi_cnt;		/* pin count */

	/**
	 * 通用块层和块设备驱动程序的IO完成方法使用的指针
	 */
	void			*bi_private;

	/**
	 * 释放bio时调用的析构方法（通常是bio_destructor方法）
	 */
	bio_destructor_t	*bi_destructor;	/* destructor */
};