第18章塊設(shè)備驅(qū)動程序

1、第第1818章章 塊設(shè)備驅(qū)動程序塊設(shè)備驅(qū)動程序除了字符設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，除了字符設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備外，Linux系統(tǒng)中還有塊設(shè)備。字符系統(tǒng)中還有塊設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備在內(nèi)核中的結(jié)構(gòu)有很大的不同，總體來說，塊設(shè)備要設(shè)備和塊設(shè)備在內(nèi)核中的結(jié)構(gòu)有很大的不同，總體來說，塊設(shè)備要比字符設(shè)備復(fù)雜很多。塊設(shè)備主要包含磁盤設(shè)備、比字符設(shè)備復(fù)雜很多。塊設(shè)備主要包含磁盤設(shè)備、SD卡等，這些設(shè)卡等，這些設(shè)備是備是Linux系統(tǒng)中不可缺少的存儲設(shè)備。計算機(jī)中都需要這樣的設(shè)系統(tǒng)中不可缺少的存儲設(shè)備。計算機(jī)中都需要這樣的設(shè)備來存儲數(shù)據(jù)，所以學(xué)會塊設(shè)備驅(qū)動程序的寫法是非常重要的。備來存儲數(shù)據(jù)，所以學(xué)會塊設(shè)備驅(qū)動程序的寫法是非

2、常重要的。18.1 18.1 塊設(shè)備簡介塊設(shè)備簡介本節(jié)對塊設(shè)備的相關(guān)概念進(jìn)行了簡要的分析。理解這本節(jié)對塊設(shè)備的相關(guān)概念進(jìn)行了簡要的分析。理解這些概念對寫塊設(shè)備驅(qū)動程序具有十分重要的意義。些概念對寫塊設(shè)備驅(qū)動程序具有十分重要的意義。18.1.1 18.1.1 塊設(shè)備總體概述塊設(shè)備總體概述Linux內(nèi)核中，內(nèi)核中，I/O設(shè)備大致分為兩類：塊設(shè)備和字符設(shè)備。塊設(shè)備大致分為兩類：塊設(shè)備和字符設(shè)備。塊設(shè)備將信息存儲在固定大小的塊中，每個塊都有自己的地址。數(shù)據(jù)設(shè)備將信息存儲在固定大小的塊中，每個塊都有自己的地址。數(shù)據(jù)塊的大小通常在塊的大小通常在512字節(jié)到字節(jié)到4K字節(jié)之間。塊設(shè)備的基本特征是每個塊字節(jié)之

3、間。塊設(shè)備的基本特征是每個塊都能獨(dú)立于其它塊而讀寫。磁盤就是最常見的塊設(shè)備。在都能獨(dú)立于其它塊而讀寫。磁盤就是最常見的塊設(shè)備。在Linux內(nèi)核內(nèi)核中，塊設(shè)備與內(nèi)核其他模塊的關(guān)系如圖所示：中，塊設(shè)備與內(nèi)核其他模塊的關(guān)系如圖所示：18.1.2 18.1.2 塊設(shè)備的結(jié)構(gòu)塊設(shè)備的結(jié)構(gòu)在寫塊設(shè)備驅(qū)動程序之前，了解典型塊設(shè)備的結(jié)構(gòu)是在寫塊設(shè)備驅(qū)動程序之前，了解典型塊設(shè)備的結(jié)構(gòu)是非常重要的。圖顯示的是磁盤的一個盤面，一些重要的概念非常重要的。圖顯示的是磁盤的一個盤面，一些重要的概念將在下面講述。將在下面講述。18.2 18.2 塊設(shè)備驅(qū)動程序的架構(gòu)塊設(shè)備驅(qū)動程序的架構(gòu)相對于字符設(shè)備來說，塊設(shè)備的驅(qū)動程序架

4、構(gòu)要稍微相對于字符設(shè)備來說，塊設(shè)備的驅(qū)動程序架構(gòu)要稍微復(fù)雜一些，其中涉及到很多重要的概念。對這些概念的理解復(fù)雜一些，其中涉及到很多重要的概念。對這些概念的理解是編寫驅(qū)動程序的前提，本節(jié)將對塊設(shè)備的整體架構(gòu)進(jìn)行詳是編寫驅(qū)動程序的前提，本節(jié)將對塊設(shè)備的整體架構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)講解。細(xì)講解。18.2.1 18.2.1 塊設(shè)備加載過程塊設(shè)備加載過程在塊設(shè)備的模塊加載函數(shù)中，需要完成的一些重要工作，在塊設(shè)備的模塊加載函數(shù)中，需要完成的一些重要工作，這些工作涉及到的一些重要概念，將在后面的小節(jié)中進(jìn)行講解，這些工作涉及到的一些重要概念，將在后面的小節(jié)中進(jìn)行講解，本節(jié)的目的是為了給出一個整體的概念。塊設(shè)備驅(qū)動加載模塊

5、中本節(jié)的目的是為了給出一個整體的概念。塊設(shè)備驅(qū)動加載模塊中需要完成的工作如下圖所示：需要完成的工作如下圖所示：18.2.2 18.2.2 塊設(shè)備卸載過程塊設(shè)備卸載過程在塊設(shè)備驅(qū)動的卸載模塊中完成與模塊加載函數(shù)相反的工在塊設(shè)備驅(qū)動的卸載模塊中完成與模塊加載函數(shù)相反的工作。作。（1）使用）使用del_gendisk()函數(shù)刪除函數(shù)刪除gendisk設(shè)備，并使用設(shè)備，并使用put_disk()函數(shù)刪除對函數(shù)刪除對gendisk設(shè)備的引用。設(shè)備的引用。（2）使用）使用blk_cleanup_queue()函數(shù)清除請求隊(duì)列，并釋放函數(shù)清除請求隊(duì)列，并釋放請求隊(duì)列所占用的資源。請求隊(duì)列所占用的資源。（3）

6、如果在模塊加載函數(shù)中使用了）如果在模塊加載函數(shù)中使用了register_blkdev()注冊設(shè)注冊設(shè)備，那么需要在模塊卸載函數(shù)中使用備，那么需要在模塊卸載函數(shù)中使用unregister_blkdev()函數(shù)注函數(shù)注銷塊設(shè)備，并釋放對塊設(shè)備的引用。銷塊設(shè)備，并釋放對塊設(shè)備的引用。18.3 18.3 通用塊層通用塊層通用塊層是塊設(shè)備驅(qū)動的核心部分，這部分主要包含通用塊層是塊設(shè)備驅(qū)動的核心部分，這部分主要包含塊設(shè)備驅(qū)動程序的通用代碼部分。本節(jié)將介紹通用塊層的主塊設(shè)備驅(qū)動程序的通用代碼部分。本節(jié)將介紹通用塊層的主要函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。要函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。18.3.1 18.3.1 通用塊層通用塊層通用塊層是

7、一個內(nèi)核組件，它處理來自系統(tǒng)其他組件發(fā)出的塊設(shè)通用塊層是一個內(nèi)核組件，它處理來自系統(tǒng)其他組件發(fā)出的塊設(shè)備請求。換句話說，通用塊層包含了塊設(shè)備操作的一些通用函數(shù)和數(shù)備請求。換句話說，通用塊層包含了塊設(shè)備操作的一些通用函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。圖是塊設(shè)備加載函數(shù)中用到的一些重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如通用磁據(jù)結(jié)構(gòu)。圖是塊設(shè)備加載函數(shù)中用到的一些重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如通用磁盤結(jié)構(gòu)盤結(jié)構(gòu)gendisk k、請求隊(duì)列結(jié)構(gòu)請求隊(duì)列結(jié)構(gòu)request_queue、請求結(jié)構(gòu)、請求結(jié)構(gòu)requestrequest、塊、塊設(shè)備設(shè)備I/OI/O操作結(jié)構(gòu)操作結(jié)構(gòu)biobio、塊設(shè)備操作結(jié)構(gòu)塊設(shè)備操作結(jié)構(gòu)block_device_operatio

8、ns等。這等。這些結(jié)構(gòu)將在下面的幾小節(jié)詳細(xì)簡述。些結(jié)構(gòu)將在下面的幾小節(jié)詳細(xì)簡述。18.3.2 alloc_disk()18.3.2 alloc_disk()函數(shù)對應(yīng)的函數(shù)對應(yīng)的gendiskgendisk結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體現(xiàn)實(shí)生活中有許多具體的物理塊設(shè)備，例如磁盤、光現(xiàn)實(shí)生活中有許多具體的物理塊設(shè)備，例如磁盤、光盤等。不同的物理塊設(shè)備其結(jié)構(gòu)是不一樣的，為了將這些塊盤等。不同的物理塊設(shè)備其結(jié)構(gòu)是不一樣的，為了將這些塊設(shè)備公用屬性在內(nèi)核中統(tǒng)一，內(nèi)核開發(fā)者定義了一個設(shè)備公用屬性在內(nèi)核中統(tǒng)一，內(nèi)核開發(fā)者定義了一個gendisk結(jié)構(gòu)體來描述磁盤。結(jié)構(gòu)體來描述磁盤。gendisk是是general disk的簡

9、稱，的簡稱，一般稱為通用磁盤。一般稱為通用磁盤。18.3.3 18.3.3 塊設(shè)備的注冊和注銷塊設(shè)備的注冊和注銷為了使內(nèi)核知道塊設(shè)備的存在，需要使用塊設(shè)備注冊為了使內(nèi)核知道塊設(shè)備的存在，需要使用塊設(shè)備注冊函數(shù)。在不使用塊設(shè)備時，也需要注銷塊設(shè)備。塊設(shè)備的注函數(shù)。在不使用塊設(shè)備時，也需要注銷塊設(shè)備。塊設(shè)備的注冊和注銷如下所述：冊和注銷如下所述：1注冊塊設(shè)備函數(shù)注冊塊設(shè)備函數(shù)register_blkdev()2注銷塊設(shè)備函數(shù)注銷塊設(shè)備函數(shù)unregister_blkdev()18.3.4 18.3.4 請求隊(duì)列請求隊(duì)列簡單的講，一個塊設(shè)備的請求隊(duì)列就是包含塊設(shè)備簡單的講，一個塊設(shè)備的請求隊(duì)列就是包

10、含塊設(shè)備I/O請求的一請求的一個隊(duì)列。這個隊(duì)列使用鏈表線性的排列。請求隊(duì)列中存儲未完成的個隊(duì)列。這個隊(duì)列使用鏈表線性的排列。請求隊(duì)列中存儲未完成的塊設(shè)備塊設(shè)備I/O請求，并不是所有的請求，并不是所有的I/O塊請求都可以順利的加入請求隊(duì)列塊請求都可以順利的加入請求隊(duì)列中。請求隊(duì)列中定義了自己能處理的塊設(shè)備請求限制。這些限制包中。請求隊(duì)列中定義了自己能處理的塊設(shè)備請求限制。這些限制包括：請求的最大尺寸、一個請求能夠包含的獨(dú)立段數(shù)、硬盤扇區(qū)大括：請求的最大尺寸、一個請求能夠包含的獨(dú)立段數(shù)、硬盤扇區(qū)大小等。小等。18.3.5 18.3.5 設(shè)置設(shè)置gendiskgendisk屬性中的屬性中的block

11、_device_operationsblock_device_operations結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體在塊設(shè)備中有一個和字符設(shè)備中在塊設(shè)備中有一個和字符設(shè)備中file_operations對應(yīng)的結(jié)對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體構(gòu)體block_device_operations。其也是一個對塊設(shè)備操作的函。其也是一個對塊設(shè)備操作的函數(shù)集合。數(shù)集合。下面對這個結(jié)構(gòu)體的主要成員進(jìn)行分析。下面對這個結(jié)構(gòu)體的主要成員進(jìn)行分析。1打開和釋放函數(shù)打開和釋放函數(shù)2I/O控制函數(shù)控制函數(shù)3介質(zhì)改變函數(shù)介質(zhì)改變函數(shù)4使介質(zhì)有效函數(shù)使介質(zhì)有效函數(shù)5獲得驅(qū)動器信息的函數(shù)獲得驅(qū)動器信息的函數(shù)6模塊指針模塊指針18.4 18.4 不使用請求隊(duì)列的

12、塊設(shè)備驅(qū)動不使用請求隊(duì)列的塊設(shè)備驅(qū)動這里，有兩個原因需要向讀者介紹不使用請求隊(duì)列的這里，有兩個原因需要向讀者介紹不使用請求隊(duì)列的塊設(shè)備驅(qū)動程序。第一個原因是，希望盡快的向讀者展現(xiàn)一塊設(shè)備驅(qū)動程序。第一個原因是，希望盡快的向讀者展現(xiàn)一個完整的塊設(shè)備驅(qū)動程序；第二個原因是，不使用請求隊(duì)列個完整的塊設(shè)備驅(qū)動程序；第二個原因是，不使用請求隊(duì)列的塊設(shè)備驅(qū)動程序相對來說，比較簡單。的塊設(shè)備驅(qū)動程序相對來說，比較簡單。18.4.1 18.4.1 不使用請求隊(duì)列的塊設(shè)備驅(qū)動程序的組不使用請求隊(duì)列的塊設(shè)備驅(qū)動程序的組成成塊設(shè)備函數(shù)驅(qū)動程序主要有一個加載函數(shù)、卸載函數(shù)和塊設(shè)備函數(shù)驅(qū)動程序主要有一個加載函數(shù)、卸載函

13、數(shù)和一個自定義的請求處理函數(shù)組成。本節(jié)將寫一個虛擬的塊設(shè)一個自定義的請求處理函數(shù)組成。本節(jié)將寫一個虛擬的塊設(shè)備驅(qū)動程序備驅(qū)動程序Virtual_blkdev。這個驅(qū)動程序在內(nèi)存中開辟了一。這個驅(qū)動程序在內(nèi)存中開辟了一個個8M的內(nèi)存空間來模擬實(shí)際的物理塊設(shè)備。這個塊設(shè)備驅(qū)動的內(nèi)存空間來模擬實(shí)際的物理塊設(shè)備。這個塊設(shè)備驅(qū)動程序代碼比較簡單，但功能卻非常強(qiáng)大。對實(shí)際物理設(shè)備的程序代碼比較簡單，但功能卻非常強(qiáng)大。對實(shí)際物理設(shè)備的操作命令同樣可以應(yīng)用在操作命令同樣可以應(yīng)用在Virtual_blkdev這個塊設(shè)備上，例如這個塊設(shè)備上，例如mkdir r、mkesfs等命令。等命令。18.4.2 18.4.

14、2 宏定義和全局變量宏定義和全局變量Virtual_blkdev塊設(shè)備驅(qū)動中定義了一些重要的宏和全塊設(shè)備驅(qū)動中定義了一些重要的宏和全局指針，包括主設(shè)備號、設(shè)備局指針，包括主設(shè)備號、設(shè)備名、名、設(shè)備的大小等。設(shè)備的大小等。18.4.3 18.4.3 加載函數(shù)加載函數(shù)Virtual_blkdev設(shè)備的加載函數(shù)主要完成分配磁盤、初設(shè)備的加載函數(shù)主要完成分配磁盤、初始化請求隊(duì)列、設(shè)置磁盤屬性和激活磁盤的工作。始化請求隊(duì)列、設(shè)置磁盤屬性和激活磁盤的工作。18.4.4 18.4.4 卸載函數(shù)卸載函數(shù)Virtual_blkdev設(shè)備的卸載函數(shù)中主要完成與設(shè)備加載設(shè)備的卸載函數(shù)中主要完成與設(shè)備加載函數(shù)中相反的

15、工作：函數(shù)中相反的工作：（1）使用）使用del_gendisk()函數(shù)刪除函數(shù)刪除gendisk設(shè)備。設(shè)備。（2）使用）使用put_disk()函數(shù)清楚函數(shù)清楚gendisk的引用計數(shù)。的引用計數(shù)。（3）使用）使用blk_cleanup_queue()函數(shù)清除請求隊(duì)列。函數(shù)清除請求隊(duì)列。18.4.5 18.4.5 自定義請求處理函數(shù)自定義請求處理函數(shù)內(nèi)核將內(nèi)核將I/O讀寫請求放入請求結(jié)構(gòu)讀寫請求放入請求結(jié)構(gòu)request中，并連接到請中，并連接到請求隊(duì)列求隊(duì)列request_queue中。因?yàn)橹?。因?yàn)閂irtual_blkdev設(shè)備是一個基于設(shè)備是一個基于內(nèi)存的設(shè)備，可以隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)，并不需要

16、復(fù)雜的內(nèi)存的設(shè)備，可以隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)，并不需要復(fù)雜的I/O調(diào)度（調(diào)度（I/O調(diào)度的作用是對請求結(jié)構(gòu)調(diào)度的作用是對請求結(jié)構(gòu)request進(jìn)行排序，最大限度的提進(jìn)行排序，最大限度的提高讀寫速率）。所以當(dāng)請求到來時，將直接使用高讀寫速率）。所以當(dāng)請求到來時，將直接使用blk_init_queue()函數(shù)中注冊的請求處理函數(shù)函數(shù)中注冊的請求處理函數(shù)Virtual_blkdev_do_request()函數(shù)，對請求進(jìn)行實(shí)際的操作。這函數(shù)，對請求進(jìn)行實(shí)際的操作。這里的操作就是將數(shù)據(jù)賦值的里的操作就是將數(shù)據(jù)賦值的Virtual_blkdev設(shè)備或者從設(shè)備或者從Virtual_blkdev設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。設(shè)備中

17、讀取數(shù)據(jù)。18.4.6 18.4.6 驅(qū)動的測試驅(qū)動的測試為了了解為了了解Virtual_blkdev這個塊設(shè)備的特性，需要對其這個塊設(shè)備的特性，需要對其進(jìn)行各方面的測試，這些測試如下所述。進(jìn)行各方面的測試，這些測試如下所述。1編譯編譯Virtual_blkdev.c文件文件2加載模塊文件加載模塊文件3lsmod查看模塊查看模塊4創(chuàng)建塊設(shè)備文件創(chuàng)建塊設(shè)備文件5在該設(shè)備上創(chuàng)建在該設(shè)備上創(chuàng)建ext2文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)6掛載文件系統(tǒng)掛載文件系統(tǒng)7測試文件系統(tǒng)測試文件系統(tǒng)8卸載和移除設(shè)備模塊卸載和移除設(shè)備模塊18.5 I/O18.5 I/O調(diào)度器調(diào)度器Linux內(nèi)核中，內(nèi)核中，I/O調(diào)度器涉及到很多復(fù)雜

18、的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而調(diào)度器涉及到很多復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系又非常復(fù)雜。要精通這些知識，遠(yuǎn)非一章一節(jié)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系又非常復(fù)雜。要精通這些知識，遠(yuǎn)非一章一節(jié)知識所能夠達(dá)到。但本節(jié)力圖給讀者一個清晰的概念，隨著內(nèi)知識所能夠達(dá)到。但本節(jié)力圖給讀者一個清晰的概念，隨著內(nèi)核的升級，這些概念可能有所細(xì)微的變化，但是其主要的原理核的升級，這些概念可能有所細(xì)微的變化，但是其主要的原理是基本不會變化的。在詳細(xì)講解是基本不會變化的。在詳細(xì)講解I/O調(diào)度器之前，需要知道數(shù)調(diào)度器之前，需要知道數(shù)據(jù)是怎樣從內(nèi)存到達(dá)磁盤的。據(jù)是怎樣從內(nèi)存到達(dá)磁盤的。18.5.1 18.5.1 數(shù)據(jù)從內(nèi)存到磁盤的過程數(shù)據(jù)從內(nèi)存到磁盤的過

19、程內(nèi)存是一個線性的結(jié)構(gòu)，內(nèi)存是一個線性的結(jié)構(gòu)，Linux系統(tǒng)將內(nèi)存分為頁。一頁系統(tǒng)將內(nèi)存分為頁。一頁最大可以是最大可以是64K，但是目前主流的系統(tǒng)頁的大小都是，但是目前主流的系統(tǒng)頁的大小都是4K?，F(xiàn)在?，F(xiàn)在假設(shè)數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存的相鄰幾頁中，希望將這些數(shù)據(jù)寫到磁盤假設(shè)數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存的相鄰幾頁中，希望將這些數(shù)據(jù)寫到磁盤上。那么每一頁的數(shù)據(jù)會被先封裝為一個段，用上。那么每一頁的數(shù)據(jù)會被先封裝為一個段，用bio_vec表示。表示。多個頁會被封裝成多個段，這些段被組成以一個多個頁會被封裝成多個段，這些段被組成以一個bio_vec為元素為元素的數(shù)組，這個數(shù)組用的數(shù)組，這個數(shù)組用bio_io_vec表示。表示

20、。18.5.2 18.5.2 塊塊I/OI/O請求請求(bio)(bio)數(shù)據(jù)從內(nèi)存到磁盤或者從磁盤到內(nèi)存的過程，叫做數(shù)據(jù)從內(nèi)存到磁盤或者從磁盤到內(nèi)存的過程，叫做I/O操操作。內(nèi)核使用一個核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作。內(nèi)核使用一個核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)bio來描述來描述I/O操作。操作。1bio結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體bio結(jié)構(gòu)體包含一個塊設(shè)備完成一次結(jié)構(gòu)體包含一個塊設(shè)備完成一次I/O操作所需要的一切操作所需要的一切信息。信息。2bio_vec結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體bio中的段用中的段用bio_vec結(jié)構(gòu)體來表示。結(jié)構(gòu)體來表示。3bio結(jié)構(gòu)體的相關(guān)宏結(jié)構(gòu)體的相關(guān)宏為了程序的可移植性，在寫驅(qū)動程序時，不應(yīng)該直接的為了程序的可移植性，在寫驅(qū)動

21、程序時，不應(yīng)該直接的操作操作bio結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)和bi_io_vec數(shù)組，而應(yīng)該使用內(nèi)核開發(fā)者提供的數(shù)組，而應(yīng)該使用內(nèi)核開發(fā)者提供的一系列宏。由于在驅(qū)動中會使用這些宏，這里對其主要的宏進(jìn)一系列宏。由于在驅(qū)動中會使用這些宏，這里對其主要的宏進(jìn)行介紹。行介紹。18.5.3 18.5.3 請求結(jié)構(gòu)（請求結(jié)構(gòu)（requestrequest）幾個連續(xù)的頁面會組成一個幾個連續(xù)的頁面會組成一個bio結(jié)構(gòu)，幾個相鄰的結(jié)構(gòu)，幾個相鄰的bio結(jié)結(jié)構(gòu)就會組成一個請求結(jié)構(gòu)構(gòu)就會組成一個請求結(jié)構(gòu)request。這樣當(dāng)磁盤在接收一個與。這樣當(dāng)磁盤在接收一個與request對應(yīng)的命令，就不需要大幅度的移動磁頭，這樣就節(jié)對應(yīng)的命

22、令，就不需要大幅度的移動磁頭，這樣就節(jié)省了省了I/O操作的時間。操作的時間。18.5.4 18.5.4 請求隊(duì)列（請求隊(duì)列（request_queuerequest_queue）每個塊設(shè)備驅(qū)動程序都維護(hù)著自己的請求隊(duì)列每個塊設(shè)備驅(qū)動程序都維護(hù)著自己的請求隊(duì)列request_queue，其包含設(shè)備將要處理的請求鏈表。請求隊(duì)列，其包含設(shè)備將要處理的請求鏈表。請求隊(duì)列主要用來連接對同一個塊設(shè)備的多個主要用來連接對同一個塊設(shè)備的多個request請求結(jié)構(gòu)。同時請求結(jié)構(gòu)。同時請求隊(duì)列中的一些字段還保存了塊設(shè)備所支持的請求類型信請求隊(duì)列中的一些字段還保存了塊設(shè)備所支持的請求類型信息、請求的個數(shù)、段的大小、

23、硬件扇區(qū)數(shù)等與設(shè)備相關(guān)的信息、請求的個數(shù)、段的大小、硬件扇區(qū)數(shù)等與設(shè)備相關(guān)的信息。總之，內(nèi)核負(fù)責(zé)對請求隊(duì)列的正確配置，使請求隊(duì)列不息?？傊瑑?nèi)核負(fù)責(zé)對請求隊(duì)列的正確配置，使請求隊(duì)列不會給塊設(shè)備發(fā)送一個不能處理的請求。會給塊設(shè)備發(fā)送一個不能處理的請求。18.5.5 18.5.5 請求隊(duì)列、請求結(jié)構(gòu)、請求隊(duì)列、請求結(jié)構(gòu)、biobio等之間的關(guān)系等之間的關(guān)系可能讀者對請求隊(duì)列可能讀者對請求隊(duì)列request_queue e、請求結(jié)構(gòu)請求結(jié)構(gòu)request、bio、bio_vec、gendisk等結(jié)構(gòu)的關(guān)系還并不清楚，除了建議讀等結(jié)構(gòu)的關(guān)系還并不清楚，除了建議讀者查閱內(nèi)核源碼外，認(rèn)真查看圖也是不錯的方

24、法。者查閱內(nèi)核源碼外，認(rèn)真查看圖也是不錯的方法。18.5.6 18.5.6 四種調(diào)度算法四種調(diào)度算法對于像磁盤這樣的塊設(shè)備來說，是不能隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)的。在對于像磁盤這樣的塊設(shè)備來說，是不能隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)的。在訪問實(shí)際的扇區(qū)數(shù)據(jù)以前，磁盤控制器必須花費(fèi)很多時間來尋找訪問實(shí)際的扇區(qū)數(shù)據(jù)以前，磁盤控制器必須花費(fèi)很多時間來尋找扇區(qū)的位置，如果兩個請求寫操作在磁盤中的位置相離很遠(yuǎn)，那扇區(qū)的位置，如果兩個請求寫操作在磁盤中的位置相離很遠(yuǎn)，那么寫操作的大部分時間將花在尋找扇區(qū)上。所以內(nèi)核需要提供一么寫操作的大部分時間將花在尋找扇區(qū)上。所以內(nèi)核需要提供一些調(diào)度方法，來使物理位置相鄰的請求盡可能先后執(zhí)行，那么就些調(diào)

25、度方法，來使物理位置相鄰的請求盡可能先后執(zhí)行，那么就可以減少尋找扇區(qū)的時間，這種調(diào)度就叫做可以減少尋找扇區(qū)的時間，這種調(diào)度就叫做I/O調(diào)度。調(diào)度。18.6 18.6 自定義自定義I/OI/O調(diào)度器調(diào)度器本節(jié)接著上一節(jié)簡介本節(jié)接著上一節(jié)簡介I/O調(diào)度器，并且仍然使用調(diào)度器，并且仍然使用Virtual_blkdev設(shè)備，只是對其進(jìn)行了一些簡單的改進(jìn)，使設(shè)備，只是對其進(jìn)行了一些簡單的改進(jìn)，使其效率更高。其效率更高。18.6.1 18.6.1 Virtual_blkdev塊設(shè)備的缺陷塊設(shè)備的缺陷Virtual_blkdev塊設(shè)備的數(shù)據(jù)都是存儲在內(nèi)存中的，對塊設(shè)備的數(shù)據(jù)都是存儲在內(nèi)存中的，對內(nèi)存的訪問可

26、以隨機(jī)進(jìn)行，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)存的訪問可以隨機(jī)進(jìn)行，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行I/O調(diào)度。調(diào)度。18.4節(jié)中的節(jié)中的Virtual_blkdev塊設(shè)備使用了默認(rèn)的塊設(shè)備使用了默認(rèn)的I/O調(diào)度器。調(diào)度器。實(shí)際上，對于實(shí)際上，對于Virtual_blkdev來說，一個好的來說，一個好的I/O調(diào)度器絲毫調(diào)度器絲毫起不了一點(diǎn)作用，反而會浪費(fèi)不少的起不了一點(diǎn)作用，反而會浪費(fèi)不少的CPU時間和內(nèi)存。時間和內(nèi)存。出現(xiàn)這個問題的原因是因?yàn)槌霈F(xiàn)這個問題的原因是因?yàn)镮/O調(diào)度器的原理所致。調(diào)度器的原理所致。I/O調(diào)度器試圖合并一系列的調(diào)度器試圖合并一系列的I/O請求，將相鄰的請求合并，從請求，將相鄰的請求合并，從而減少尋道

27、時間。對于內(nèi)存設(shè)備來說，這根本沒有必要，因而減少尋道時間。對于內(nèi)存設(shè)備來說，這根本沒有必要，因?yàn)閮?nèi)存設(shè)備根本不需要所謂的尋道時間，它讀取各個位置的為內(nèi)存設(shè)備根本不需要所謂的尋道時間，它讀取各個位置的塊的時間幾乎相等。本節(jié)將通過自定義塊的時間幾乎相等。本節(jié)將通過自定義I/O調(diào)度器的方法，調(diào)度器的方法，將其屏蔽掉。將其屏蔽掉。18.6.2 18.6.2 指定指定noop調(diào)度器調(diào)度器linux內(nèi)核中包含內(nèi)核中包含4個個I/O調(diào)度器：調(diào)度器：Anticipatory、CFQ、Deadline和和Noop。2.6.18之前的之前的linux默認(rèn)使用默認(rèn)使用anticipatory，而，而之后的默認(rèn)使用之

28、后的默認(rèn)使用cfq。關(guān)于這。關(guān)于這4個調(diào)度器的原理已經(jīng)在上一節(jié)做個調(diào)度器的原理已經(jīng)在上一節(jié)做過介紹，這里不重復(fù)講述。這里主要用到的是過介紹，這里不重復(fù)講述。這里主要用到的是Noop調(diào)度器。調(diào)度器。Noop調(diào)度器是一個基本上不錯任何事情的空調(diào)度器，它直接將調(diào)度器是一個基本上不錯任何事情的空調(diào)度器，它直接將I/O請求傳遞給通用塊層，告訴通用塊層已經(jīng)對請求做了相應(yīng)的請求傳遞給通用塊層，告訴通用塊層已經(jīng)對請求做了相應(yīng)的調(diào)度處理。調(diào)度處理。18.6.3 18.6.3 Virtual_blkdev的改進(jìn)實(shí)例的改進(jìn)實(shí)例18.4節(jié)的節(jié)的Virtual_blkdev使用了默認(rèn)的調(diào)度算法，但是使用了默認(rèn)的調(diào)度算法

29、，但是并不符合內(nèi)存設(shè)備的要求，這里對并不符合內(nèi)存設(shè)備的要求，這里對Virtual_blkdev_init()函數(shù)函數(shù)進(jìn)行了簡單的修改，使用進(jìn)行了簡單的修改，使用noop調(diào)度算法取代了默認(rèn)的調(diào)度算調(diào)度算法取代了默認(rèn)的調(diào)度算法。法。18.6.4 18.6.4 編譯和編譯和測試測試本節(jié)對本節(jié)對Virtual_blkdev的修改非常少，但是已經(jīng)使的修改非常少，但是已經(jīng)使Virtual_blkdev的效率提高了不少。使用和的效率提高了不少。使用和18.4節(jié)一樣的編節(jié)一樣的編譯方法編譯新的譯方法編譯新的Virtual_blkdev模塊，模塊，make命令如下所示。命令如下所示。18.7 18.7 脫離脫離

30、I/OI/O調(diào)度器調(diào)度器為了使讀者詳細(xì)的了解內(nèi)核是怎么對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫的，為了使讀者詳細(xì)的了解內(nèi)核是怎么對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫的，這里對通用塊層的函數(shù)調(diào)用關(guān)系進(jìn)行了仔細(xì)分析。本節(jié)試圖這里對通用塊層的函數(shù)調(diào)用關(guān)系進(jìn)行了仔細(xì)分析。本節(jié)試圖拜托繁瑣的拜托繁瑣的I/O調(diào)度器，對數(shù)據(jù)讀寫的本質(zhì)進(jìn)行分析，通過這調(diào)度器，對數(shù)據(jù)讀寫的本質(zhì)進(jìn)行分析，通過這種本質(zhì)的學(xué)習(xí)讀者將對數(shù)據(jù)讀寫的整個流程有一個深刻的理種本質(zhì)的學(xué)習(xí)讀者將對數(shù)據(jù)讀寫的整個流程有一個深刻的理解。首先，將從請求隊(duì)列中的解。首先，將從請求隊(duì)列中的bio處理函數(shù)開始。處理函數(shù)開始。18.7.1 18.7.1 請求隊(duì)列中的請求隊(duì)列中的biobio處理函數(shù)處理函數(shù)

31、盡管上一節(jié)的盡管上一節(jié)的noop調(diào)度器已經(jīng)相當(dāng)簡單。它除了告訴調(diào)度器已經(jīng)相當(dāng)簡單。它除了告訴內(nèi)核一個內(nèi)核一個bio已經(jīng)調(diào)度完成，正在等待處理之外，幾乎什么已經(jīng)調(diào)度完成，正在等待處理之外，幾乎什么都不做。許多程序員錯誤的以為都不做。許多程序員錯誤的以為noop調(diào)度器的效率很高，是調(diào)度器的效率很高，是的，它確實(shí)比其他三種調(diào)度器效率要高，但是有比的，它確實(shí)比其他三種調(diào)度器效率要高，但是有比noop調(diào)度調(diào)度器效率更高的方法，那就是不用器效率更高的方法，那就是不用I/O調(diào)度器。調(diào)度器。18.7.2 18.7.2 通用塊層函數(shù)調(diào)用關(guān)系通用塊層函數(shù)調(diào)用關(guān)系有了上面關(guān)于請求隊(duì)列的基礎(chǔ)知識后，將分析一個塊有了上

32、面關(guān)于請求隊(duì)列的基礎(chǔ)知識后，將分析一個塊設(shè)備的讀寫過程。設(shè)備的讀寫過程。1通用塊層函數(shù)調(diào)用關(guān)系通用塊層函數(shù)調(diào)用關(guān)系2使用使用I/O調(diào)度器和不使用調(diào)度器和不使用I/O調(diào)度器的分析調(diào)度器的分析3使用使用I/O調(diào)度器和不使用調(diào)度器和不使用I/O調(diào)度器的效率分析調(diào)度器的效率分析18.7.3 18.7.3 對對Virtual_blkdevVirtual_blkdev塊設(shè)備的改進(jìn)塊設(shè)備的改進(jìn)對對Virtual_blkdev塊設(shè)備的改進(jìn)，首先需要修改塊設(shè)備的改進(jìn)，首先需要修改Virtual_blkdev_init()函數(shù)，使其使用自定義的制造請求函數(shù)，函數(shù)，使其使用自定義的制造請求函數(shù)，修改后的代碼如下所示

33、：修改后的代碼如下所示：1Virtual_blkdev_init()函數(shù)的修改函數(shù)的修改2請求制造函數(shù)請求制造函數(shù)Virtual_blkdev_make_request()18.7.4 18.7.4 編譯和測試編譯和測試使用使用make命令對新的命令對新的Virtual_blkdev塊設(shè)備進(jìn)行編譯，塊設(shè)備進(jìn)行編譯，命令如下。命令如下。18.8 18.8 塊設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)塊設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)上幾節(jié)介紹的塊設(shè)備，其基本功能還不完善。本節(jié)將上幾節(jié)介紹的塊設(shè)備，其基本功能還不完善。本節(jié)將塊設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，首先介紹分區(qū)。塊設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，首先介紹分區(qū)。18.8.1 18.8.1 為為Virt

34、ual_blkdevVirtual_blkdev塊設(shè)備添加分區(qū)塊設(shè)備添加分區(qū)對于實(shí)際的物理磁盤，一般都有多個分區(qū)，本節(jié)將對對于實(shí)際的物理磁盤，一般都有多個分區(qū)，本節(jié)將對Virtual_blkdev設(shè)備進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)的概念是：設(shè)備進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)的概念是：1分區(qū)分區(qū)分區(qū)是物理磁盤的一部分，將物理磁盤分為幾個單獨(dú)分區(qū)是物理磁盤的一部分，將物理磁盤分為幾個單獨(dú)的單元，每一個單元就是一個分區(qū)。每一個分區(qū)可以用來存的單元，每一個單元就是一個分區(qū)。每一個分區(qū)可以用來存放文件和數(shù)據(jù)。放文件和數(shù)據(jù)。2alloc_disk()函數(shù)增加分區(qū)函數(shù)增加分區(qū)比起比起I/O調(diào)度來，對磁盤進(jìn)行分區(qū)則非常容易，因?yàn)閮?nèi)調(diào)度來，對

35、磁盤進(jìn)行分區(qū)則非常容易，因?yàn)閮?nèi)核做了大部分的工作。這些工作大都由核做了大部分的工作。這些工作大都由fs/partitions目錄中的目錄中的文件來完成。文件來完成。18.8.2 18.8.2 對新的對新的Virtual_blkdevVirtual_blkdev代碼的分析代碼的分析只要對只要對18.7節(jié)中的代碼做一點(diǎn)簡單的修改，就能夠使設(shè)節(jié)中的代碼做一點(diǎn)簡單的修改，就能夠使設(shè)備支持分區(qū)。首先在文件開始添加一個分區(qū)數(shù)目的宏，代碼備支持分區(qū)。首先在文件開始添加一個分區(qū)數(shù)目的宏，代碼如下所示。如下所示。18.8.3 18.8.3 編譯和測試編譯和測試在使用在使用Virtual_blkdev設(shè)備前，需要

36、先編譯和調(diào)試代碼，設(shè)備前，需要先編譯和調(diào)試代碼，這些步驟如下所示：這些步驟如下所示：1編譯代碼編譯代碼2加載模塊加載模塊3分區(qū)分區(qū)4測試分區(qū)數(shù)測試分區(qū)數(shù)18.8.4 18.8.4 分區(qū)數(shù)的計算分區(qū)數(shù)的計算一個磁盤的最大分區(qū)數(shù)目由兩方面決定，第一是一個磁盤的最大分區(qū)數(shù)目由兩方面決定，第一是alloc_gendisk()函數(shù)中指定的最大分區(qū)數(shù)，第二是磁盤的物函數(shù)中指定的最大分區(qū)數(shù)，第二是磁盤的物理磁道數(shù)。在上述的理磁道數(shù)。在上述的Virtual_blkdev塊設(shè)備的代碼中，并沒塊設(shè)備的代碼中，并沒有為磁盤指定磁道數(shù)，這樣情況下，有為磁盤指定磁道數(shù)，這樣情況下，Linux內(nèi)核只能猜測磁內(nèi)核只能猜測磁盤的磁道數(shù)。盤的磁道數(shù)。18.8.5 18.8.5 設(shè)置設(shè)置Vir