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6.5 块设备操作

6.5.5 请求结构

6.5.6 BIO

6.5.7 提交请求

6.5.8 I/O调度

6.5.9 ioctl实现

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6.5 块设备操作

6.5.5 请求结构

struct         request {         //放在请求队列上，请求完成放到donelist链表上。

        struct request_queue         *q;

        struct list_head                  queuelist;            //用于挂载到请求队列中。

        struct gendisk                    *rq_disk;

        struct hd_struct                 *part;

        sector_t                             sector;                 //请求的起始扇区。

        unsigned long                   nr_sectors;          //请求包含的的扇区数。

        unsigned int                     current_nr_sectors;

        struct bio                         *bio;                         //表示底层的I/O 请求。

        struct bio                         *biotail;                   //一个请求可包含多个bio，指向最后一个bio。

        void                                 *elevator_private;         //IO调度器设置。

        void                                 *elevator_private2;

        unsigned short                         nr_phys_segments;        //请求涉及连续物理区域数。

        unsigned short                         nr_hw_segments;           //重排序的请求中连续物理区域数。

        enum rq_cmd_type_bits         cmd_type;                        //如：REQ_TYPE_FS。

        unsigned int                        cmd_flags;                          //如：_REQ_RW表示数据传输方向。

        unsigned int                        cmd_len;

}

BIO：用于内核和设备间传输数据。下节讲。

struct request在更高层次表示块设备的整体I/O请求，包含多个struct bio

6.5.6 BIO

bio：描述单个IO读写请求。

struct         bio {

        struct bio                         *bi_next;

        struct block_device         *bi_bdev;         // 对应块设备。

        sector_t                           bi_sector;        // 请求传输的开始扇区号。

        unsigned int                    bi_size;           // 请求数据的长度。

        unsigned short               bi_vcnt;           // bi_io_vec数组元素个数，即数据缓冲区数量。

        unsigned short              bi_idx;              // 作为数组bi_io_vec的索引。

        struct bio_vec               *bi_io_vec;

}

struct         bio_vec {

        struct page          *bv_page;         // 缓冲区所在页。

        unsigned int         bv_len;             // 缓冲区长度。

        unsigned int         bv_offset;         // 缓存区在页内的偏移。

};

6.5.7 提交请求

内核将IO请求提交给设备，步骤：

        1. 创建一个bio以描述请求 ，并嵌入到request中，放到request_queue中。

        2. 内核处理请求队列，并执行bio中的请求。

bio创建后，调用struct request_queue中make_request_fn函数指针，将新请求加入请求队列。

而request_fn用于提交请求。

1. 创建IO请求

submit_bio：

        根据bio创建一个新request。

        使用make_request_fn将request加入到request_queue中。

2. 队列插入

为提高IO性能，尽可能重排或合并各个请求。

队列空闲时：处理队列中请求。否则只添加请求到队列，而不处理。

请求插入队列后，后续何时处理请求？

       1. 定时器。
        2. 请求超过阈值。

3. 执行请求

执行请求：

        struct request_queue->request_fn()函数指针。

struct request_queue    *blk_init_queue(request_fn_proc     *rfn,     spinlock_t     *lock)

        用于设置request_fn()函数指针。

        不同设备驱动中调用该函数设为不同函数。

6.5.8 I/O调度

I/O调度器：也叫电梯。

        用于调度和重排磁盘IO读写操作请求。以优化磁盘访问的顺序和效率。

一个调度器包含的操作：

struct elevator_ops {

        elevator_merge_fn                 *elevator_merge_fn;

                //检查新请求是否可以和现有请求合并。

        elevator_merged_fn                 *elevator_merged_fn;

                //合并后调用。

        elevator_merge_req_fn         *elevator_merge_req_fn;

                //执行请求合并。

        elevator_allow_merge_fn         *elevator_allow_merge_fn;

                //是否可以将当前请求与现有请求合并。

        elevator_bio_merged_fn         *elevator_bio_merged_fn;

                //当一个bio被合并到一个请求中时调用。

        elevator_dispatch_fn                 *elevator_dispatch_fn;

                //从指定队列中选择下一个调度的请求给设备驱动。

        elevator_add_req_fn                 *elevator_add_req_fn;

                //向队列添加请求。

        elevator_activate_req_fn                 *elevator_activate_req_fn;

        elevator_deactivate_req_fn             *elevator_deactivate_req_fn;

                //当请求变为活动/非活动时调用。

        elevator_completed_req_fn         *elevator_completed_req_fn;

                //当一个请求完成时调用。

        elevator_init_icq_fn                 *elevator_init_icq_fn;

        elevator_exit_icq_fn                 *elevator_exit_icq_fn;

                //初始化/清理 I/O上下文队列。

        elevator_set_req_fn                 *elevator_set_req_fn;

        elevator_put_req_fn                 *elevator_put_req_fn;

        elevator_may_queue_fn         *elevator_may_queue_fn;

                //是否可将请求添加到请求队列。

        elevator_init_fn                 *elevator_init_fn;

        elevator_exit_fn                 *elevator_exit_fn;

                //调度器初始化时、退出时调用。

}

请求上下文（I/O Context Queue, ICQ）：

        ICQ 存储与请求相关上下文，如文件系统元数据、锁状态等。

表示一个调度器：

struct         elevator_type

{

        struct kmem_cache         *icq_cache;

        struct elevator_ops         ops;

        size_t                             icq_size;

        size_t                             icq_align;

        struct elv_fs_entry         *elevator_attrs;         //sysfs中的属性。

        char                                 elevator_name[ELV_NAME_MAX];         //调度器名称。

        struct module                 *elevator_owner;

        struct list_head                 list;         //连接所有IO调度器。

};

内核的IO调度器有：

        1. elevator_noop：

                简单，先来先服务。可合并请求，但不能重排。

                使用场景：

                        1. 可自行重排的智能硬件。

                        2. 不用寻道的设备， 如闪存。

        2. iosched_deadline：

                目的：

                        最小化寻道次数。

                        尽可能在一定时间内完成。

        3. iosched_cfq：

                完全公平队列。默认调度器。

                每个进程有一个队列，轮询调度多个队列。

拓展

常见I/O调度算法：

        完全公平队列（CFQ）：

                为每个进程提供公平访问磁盘机会。将磁盘带宽分配给不同进程。

                适用于多任务公平共享磁盘资源环境。

        Deadline：

                适用于低延迟应用，如实时应用，数据库。

        Noop：

                不重排序不优化。

                适用不需要额外调度开销的情况，如SSD设备。

        电梯算法：

                优化了磁盘访问顺序，减少寻道时间。

                模拟电梯上下移动，根据磁头当前位置和移动方向，调度最近请求 。

                对于磁盘访问密集型且随机的I/O，显著提高性能。

                缺点：

                        当磁头频繁改变方向时，一些请求可能长时间等待。

                        因此需要根据实际应用的特点和需求权衡。

6.5.9 ioctl实现

系统调用 - > sys_ioctl -> vfs_ioctl

blkdef_ioctl：实现了某些ioctl，对于所有块设备都可用。

        如：读取设备分区信息，设备总长度。