进一步理解Linux操作系统的块设备

2020-07-09 00:00:00 函数队列请求磁盘设备

在前文《理解Linux操作系统的块设备》中我们从比较高层面（Hight Level）介绍了块设备的原理和块设备的特性。但是关于Linux操作系统块设备的实现原理可能还一知半解。本文将进一步深入的分析Linux的块设备，期望能让大家更加深入的理解块设备的实现细节。

其实在Linux操作系统中可以非常方便的实现一个块设备，或者说是块设备驱动。在Linux中我们熟知的RAID、多路径和Ceph的RBD等都是这样一种块设备。其特征就是在操作系统的/dev目录下面会创建一个文件。如图1显示的不同类型的块设备，包含普通的SCSI块设备和LVM逻辑卷块设备，本质上都是块设备，差异在于在不同的业务逻辑和名称。

块设备的实现原理

在Linux操作系统中，块设备的实现其实十分简单，但也十分复杂。简单的是我们可以只用2个函数就可以创建一个块设备驱动程序；复杂的地方是块设备的总线和底层设备驱动的关系错综复杂，且块设备驱动种类繁多。我们先看一下如何创建一个块设备，创建的方法很简单，主要是调用Linux内核的2个函数，分别是alloc_disk和add_disk。alloc_disk用于分配一个gendisk结构体的实例，而后者则是将该结构体实例注册到系统中。经过上述2步的操作，我们就可以在/dev目录下看到一个块设备。另外一个比较重要的地方是初始化gendisk结构体的请求队列，这样应用层有请求的时候会调用该队列的例程进行处理。 关于创建块设备的详细实现代码本文并不打算进行深入介绍，需要了解的同学可以阅读《Linux设备驱动程序》这本书，目前新的是第三版。这本书的第16章详细的介绍了一个基于内存的块设备驱动的实现细节，并且有配套源代码。所谓基于内存的块设备是指这个块设备的数据存储在内存中，而不是真正的诸如磁盘或者光盘的物理设备中。如下是本文从该书中截取的代码片段，核心是上文提到的2个函数。

static void setup_device(struct sbull_dev* dev, int which)
{
    memset(dev, , sizeof(struct sbull_dev));
    dev->size = nsectors * hardsect_size;
    dev->data = vmalloc(dev->size);
    if (dev->data == NULL)
    {
        printk(KERN_NOTICE "vmalloc failed. \n");
        return; 
    }

    spin_lock_init(&dev->lock);

    /*初始化一个队列函数，用于处理IO请求*/
    dev->queue = blk_init_queue(sbull_full_request, &dev->lock);
    dev->queue->queuedata = dev;
    blk_queue_logical_block_size(dev->queue, hardsect_size);

    /*创建gendisk结构体，并初始化*/
    dev->gd = alloc_disk(SBULL_MINORS);
    dev->gd->major = sbull_major;
    dev->gd->first_minor = which*SBULL_MINORS;
    dev->gd->fops = &sbull_ops;
    dev->gd->queue = dev->queue;
    dev->gd->private_data = dev;

    /*拼凑块设备的名称，为sbulla*/
    snprintf( dev->gd->disk_name, 32, "sbull%c", ('a' + which));
    set_capacity( dev->gd, nsectors*(hardsect_size/KERNEL_SECTOR_SIZE) );
    add_disk(dev->gd);  /*将块设备添加到系统内核*/

    return;
}

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