目錄

一、剖析一個塊設(shè)備

二、緩沖區(qū)和緩沖區(qū)頭

三、bio 結(jié)構(gòu)體

四、請求隊列

五、I/O 調(diào)度程序

系統(tǒng)中能夠隨機（不需要按順序）訪問固定大小數(shù)據(jù)片（chunks）的硬件設(shè)備稱作塊設(shè)備，這些固定大小的數(shù)據(jù)片就稱作塊。最常見的塊設(shè)備為硬盤，其他的還有軟盤驅(qū)動器、閃存等，它們都是以安裝文件系統(tǒng)的方式使用的。

另一種基本的設(shè)備類型是字符設(shè)備。字符設(shè)備按照字符流的方式被有序訪問，像串口和鍵盤就屬于字符設(shè)備。

對于這兩種類型的設(shè)備，它們的區(qū)別在于是否可以隨機訪問數(shù)據(jù)。內(nèi)核對塊設(shè)備的管理需要有一個專門提供服務(wù)的子系統(tǒng)，對字符設(shè)備的管理則不需要。

一、剖析一個塊設(shè)備

塊設(shè)備中最小的可尋址單位是扇區(qū)。扇區(qū)大小一般是 2 的整數(shù)倍，最常見的是 512 字節(jié)。扇區(qū)的大小是設(shè)備的物理屬性。

在軟件層面上，最小邏輯可尋址單元為塊。塊是文件系統(tǒng)的一種抽象，只能基于塊來訪問文件系統(tǒng)。雖然物理磁盤尋址是按照扇區(qū)進行的，但是內(nèi)核執(zhí)行的所有操作都是按照塊進行的。所以塊不能比扇區(qū)還小，只能倍數(shù)于扇區(qū)大小。

總之，扇區(qū)是設(shè)備的最小尋址單元，也被稱為 “硬扇區(qū)” 或?“設(shè)備塊”；同樣地，塊是文件系統(tǒng)的最小尋址單元，也被稱為 “文件塊” 或 “I/O 塊”。

二、緩沖區(qū)和緩沖區(qū)頭

當一個塊被調(diào)入內(nèi)存時（在讀入后或等待寫出時），它要存儲在一個緩沖區(qū)中。每個緩沖區(qū)與一個塊對應(yīng)，它相當于是磁盤塊在內(nèi)存中的表示。一個頁可以容納一個或多個內(nèi)存中的塊。由于內(nèi)核在處理數(shù)據(jù)時需要一些相關(guān)的控制信息（比如一個塊屬于哪個塊設(shè)備，塊對應(yīng)于哪個緩沖區(qū)等），所以每一個緩沖區(qū)都有一個對應(yīng)的描述符 buffer_head 結(jié)構(gòu)體，稱為緩沖區(qū)頭，定義在 <linux/buffer_head.h>，它包含了內(nèi)核操作緩沖區(qū)所需要的全部信息：

但是，將緩沖區(qū)頭作為 I/O 操作單元帶來了兩個弊端：

• 緩沖區(qū)頭是一個很大且不容易控制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，而且緩沖區(qū)頭對數(shù)據(jù)的操作既不方便也不清晰。
• 它僅能描述單個緩沖區(qū)，緩沖區(qū)頭會促使內(nèi)核八大塊數(shù)據(jù)的 I/O 操作分解為多個 buffer_head 結(jié)構(gòu)體進行操作。?

所以后面為塊 I/O 操作引入了一種新型、靈活并輕量級的容器——bio 結(jié)構(gòu)體。

三、bio 結(jié)構(gòu)體

目前內(nèi)核中塊 I/O 操作的基本容器由 bio 結(jié)構(gòu)體表示，定義在 <linux/bio.h>。該結(jié)構(gòu)體代表了正在活動的以片段（segment）鏈表形式組織的塊 I/O 操作。一個片段是一小塊連續(xù)的內(nèi)存緩沖區(qū)，而片段鏈表可以使一個緩沖區(qū)分散在內(nèi)存的多個位置上，bio 結(jié)構(gòu)體能對內(nèi)核保證 I/O 操作的執(zhí)行，像這樣的向量 I/O 就是所謂的聚散 I/O。

bio 結(jié)構(gòu)體定義于 <linux/bio.h> 中：

使用 bio 結(jié)構(gòu)體的目的主要是代表正在現(xiàn)場執(zhí)行的 I/O 操作，所以該結(jié)構(gòu)體中的主要域都是用來管理相關(guān)信息的：

bi_io_vec 域指向一個 bio_vec 結(jié)構(gòu)體數(shù)組，該結(jié)構(gòu)體鏈表包含了一個特定 I/O 操作所需要使用到的所有片段。每個 bio_vec 結(jié)構(gòu)都是一個形式為 <page, offset, len> 的向量，它描述的是一個特定的片段：片段所在的物理頁、塊在物理頁中的偏移位置、塊長度。

總之，每一個塊 I/O 請求都通過一個 bio 結(jié)構(gòu)體表示，每個請求包含一個或多個塊，這些塊存儲在 bio_vec 結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，bio_vec 結(jié)構(gòu)體描述了每個片段在物理頁中的實際位置，并且像向量一樣被組織在一起。

bio 結(jié)構(gòu)體代表的是 I/O 操作，它包含內(nèi)存中的一個或多個頁；而 buffer_head 結(jié)構(gòu)體代表的是一個緩沖區(qū)，它描述的僅僅是磁盤中的一個塊。

四、請求隊列

塊設(shè)備將它們掛起的塊 I/O 請求保存在請求隊列中，該隊列由 request_queue 結(jié)構(gòu)體表示，定義在文件 <linux/blkdev.h> 中，包含一個雙向請求鏈表以及相關(guān)控制信息。

隊列中的請求由結(jié)構(gòu)體 request 表示，一個請求可能要操作多個連續(xù)的磁盤塊，所以每個請求可以由多個 bio 結(jié)構(gòu)體組成。

五、I/O 調(diào)度程序

磁盤尋址是整個計算機中最慢的操作之一，為了縮短尋址時間，Linux 引入了 I/O 調(diào)度程序。

I/O 調(diào)度程序?qū)⒋疟P I/O 資源分配給系統(tǒng)中所有掛起的塊 I/O 請求。I/O 調(diào)度程序通過兩種方法減少磁盤尋址時間：合并與排序。

• 合并指將兩個或多個請求結(jié)合成一個新請求，即如果兩個請求訪問的磁盤扇區(qū)相鄰，那么可以把兩個請求合并為一個請求，這樣可以將 I/O 多次請求的開銷壓縮成一次請求的開銷。
• 排序指將整個請求隊列按扇區(qū)增長方向有序排列，通過保持磁盤頭以直線方向移動，從而縮短所有請求的磁盤尋址時間。這種 I/O 調(diào)度程序也被稱為電梯調(diào)度。

Linux 實際使用的 I/O 調(diào)度程序有如下幾種：文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-678154.html

• Linux 電梯
• 最終期限 I/O 調(diào)度程序
• 預(yù)測 I/O 調(diào)度程序
• 完全公正的排隊 I/O 調(diào)度程序
• 空操作的 I/O 調(diào)度程序

到了這里，關(guān)于Linux內(nèi)核學(xué)習(xí)（十）—— 塊 I/O 層（基于Linux 2.6內(nèi)核）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！