一文帶你玩轉(zhuǎn)Linux文件系統(tǒng)之-通用塊處理層！
概述
由于不同塊設(shè)備（如磁盤，機械硬盤等）有著不同的設(shè)備驅(qū)動程序，為了讓文件系統(tǒng)有統(tǒng)一的讀寫塊設(shè)備接口，Linux實現(xiàn)了一個 通用塊層。如下圖中的紅色部分：
通用塊層 的引入為了提供一個統(tǒng)一的接口讓文件系統(tǒng)實現(xiàn)者使用，而不用關(guān)心不同設(shè)備驅(qū)動程序的差異，這樣實現(xiàn)出來的文件系統(tǒng)就能用于任何的塊設(shè)備。
通用塊層 將對不同塊設(shè)備的操作轉(zhuǎn)換成對邏輯數(shù)據(jù)塊的操作，也就是將不同的塊設(shè)備都抽象成是一個數(shù)據(jù)塊數(shù)組，而文件系統(tǒng)就是對這些數(shù)據(jù)塊進行管理。如下圖：
注意：不同的文件系統(tǒng)可能對邏輯數(shù)據(jù)塊定義的大小不一樣，比如 ext2文件系統(tǒng) 的邏輯數(shù)據(jù)塊大小為 4KB。
通過對設(shè)備進行抽象后，不管是磁盤還是機械硬盤，對于文件系統(tǒng)都可以使用相同的接口對邏輯數(shù)據(jù)塊進行讀寫操作。
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通用塊讀寫接口
通用塊層 提供了 ll_rw_block() 函數(shù)對邏輯塊進行讀寫操作，ll_rw_block() 函數(shù)的原型如下：
在分析 ll_rw_block() 函數(shù)前，我們先來介紹一下 buffer_head 這個結(jié)構(gòu)，因為要理解 ll_rw_block() 函數(shù)必須先了解 buffer_head 結(jié)構(gòu)。
struct buffer_head 結(jié)構(gòu)代表一個要進行讀或者寫的數(shù)據(jù)塊，其定義如下：
為了讓讀者更加清晰，上面忽略了 buffer_head 結(jié)構(gòu)的某些字段，上面比較重要的是 b_blocknr 字段和 b_size 字段， b_blocknr 字段指定了要讀寫的數(shù)據(jù)塊號，而 b_size 字段指定了數(shù)據(jù)塊的大小。還有就是 b_rdev 字段，其指定了數(shù)據(jù)塊所屬的設(shè)備。
有了 buffer_head 結(jié)構(gòu)，就可以對數(shù)據(jù)塊進行讀寫操作。接下來，我們看看 ll_rw_block() 函數(shù)的實現(xiàn)：
下面介紹一下 ll_rw_block() 函數(shù)各個參數(shù)的作用：
rw：要進行的讀或者寫操作，一般可選的值為 READ、WRITE 或者 READA 等。
nr：bhs 數(shù)組的大小。
bhs：要進行讀寫操作的數(shù)據(jù)塊數(shù)組。
ll_rw_block() 函數(shù)的實現(xiàn)比較簡單，遍歷 bhs 數(shù)組，并且對所有的 buffer_head 進行上鎖和增加其計數(shù)器，然后調(diào)用 submit_bh() 函數(shù)把其提交到 IO調(diào)度層 進行I/O操作。
我們接著看看 submit_bh() 函數(shù)的實現(xiàn)：
數(shù)據(jù)塊是 通用塊層 的概念，而真實的塊設(shè)備是以扇區(qū)作為讀寫單元的。所以在進行IO操作前，必須將數(shù)據(jù)塊號轉(zhuǎn)換成真正的扇區(qū)號，而代碼 bh->b_blocknr * count 就是用于將數(shù)據(jù)塊號轉(zhuǎn)換成扇區(qū)號。轉(zhuǎn)換成扇區(qū)號后，submit_bh() 函數(shù)接著調(diào)用 generic_make_request() 進行下一步的操作。
我們接著分析 generic_make_request() 函數(shù)的實現(xiàn)：
每一個塊設(shè)備都有一個類型為 request_queue_t 的I/O請求隊列，而 blk_get_queue() 函數(shù)用于獲取塊設(shè)備對應(yīng)的I/O請求隊列，然后調(diào)用I/O請求隊列的 mark_request_fn() 方法把I/O請求添加到隊列中。
那么I/O請求隊列的 mark_request_fn() 方法到底是什么呢？這個方法由塊設(shè)備驅(qū)動提供，也可以通過調(diào)用 blk_init_queue() 函數(shù)設(shè)置為默認的 __make_request() 方法。我們主要分析默認的 __make_request() 方法：
__make_request() 函數(shù)首先通過調(diào)用 elevator->elevator_merge_fn() 方法嘗試將當前I/O請求與其他正在排隊的I/O請求進行合并，因為如果當前I/O請求與正在排隊的I/O請求相鄰，那么就可以合并為一個I/O請求，從而減少對設(shè)備I/O請求的次數(shù)。
如果不能與排隊的I/O請求進行合并，那么就調(diào)用 get_request() 函數(shù)申請一個I/O請求對象，然后初始化此對象各個字段，再通過調(diào)用 add_request() 函數(shù)把I/O請求對象添加到I/O請求隊列中。add_request() 函數(shù)實現(xiàn)如下：
add_request() 函數(shù)的實現(xiàn)非常簡單，首先調(diào)用 drive_stat_acct() 函數(shù)更新統(tǒng)計信息，然后調(diào)用 list_add() 函數(shù)把I/O請求添加到I/O請求隊列中。
執(zhí)行I/O請求
ll_rw_block() 函數(shù)只是把I/O請求添加到設(shè)備的I/O請求隊列中，那么I/O請求隊列中的I/O請求什么時候會執(zhí)行呢？答案就是當調(diào)用 run_task_queue(&tq_disk) 函數(shù)時。
run_task_queue() 函數(shù)是 Linux 用于運行任務(wù)隊列的入口，而 tq_disk 隊列就是塊設(shè)備I/O的任務(wù)隊列。當執(zhí)行 run_task_queue(&tq_disk) 函數(shù)時，便會處理 tq_disk 任務(wù)隊列中的例程。
當調(diào)用 ll_rw_block() 函數(shù)添加I/O請求時，會觸發(fā)調(diào)用 generic_plug_device() 函數(shù)，而 generic_plug_device() 函數(shù)會把設(shè)備的I/O請求隊列添加到 tq_disk 任務(wù)隊列中， generic_plug_device() 函數(shù)實現(xiàn)如下：
通過 Linux 的任務(wù)隊列機制，設(shè)備的I/O請求隊列將會被執(zhí)行。執(zhí)行I/O請求主要是由塊設(shè)備驅(qū)動完成，在塊設(shè)備驅(qū)動程序初始化時可以通過調(diào)用 blk_init_queue() 函數(shù)指定處理I/O請求隊列的方法。blk_init_queue() 函數(shù)原型如下：
參數(shù) rfn 就是處理I/O請求隊列的例程函數(shù)。
