理解块层、块设备和数据结构

技术要求

Linux 内核的块层是一个相对复杂的话题。若你已经理解前 3 章（VFS 与文件系统）内容，会更容易把握块层和文件系统之间的交互关系。具备 C 语言基础会帮助你阅读本章引用的内核代码；同时，具备 Linux 系统实践经验也能显著提升理解效率。
如果你想下载内核源码，可从 https://www.kernel.org 获取。本章与全书中的代码片段基于内核 5.19.9。

解释块层的角色

块层（block layer）的核心职责，是实现一组内核接口，让文件系统能够访问存储设备。应用访问物理存储时通常通过块设备进行，而这些数据请求由块层统一管理。
在块层之上，内核还有一个映射层（mapping layer），可把一个块设备映射到另一个块设备之上，从而支持快照、加密、跨多物理设备的逻辑卷等能力。
因此，块层接口是 Linux 持久化存储管理的关键基础。

和 VFS 一样，“抽象”是块层的核心价值：

• VFS 让应用用统一系统调用访问不同文件系统。
• 块层让上层以统一方式访问不同后端存储介质，而无需关心具体硬件类型。

下图展示了从 VFS 到块层的 I/O 层次结构：

块层的重要功能可以概括为：

• 向上：为文件系统提供统一入口，访问多种存储设备。
• 向下：为驱动和设备提供统一入口，承接来自上层的 I/O 请求。
• 通过一组复杂结构进行通用化处理，其中最关键的是 bio。文件系统会构造 bio 来表示 I/O，再下发到块层并最终到驱动。
• 映射层通常通过 Device Mapper 实现，支撑 LVM、多路径、thin provisioning、加密、软件 RAID 等能力。
• 现代内核引入了 blk-mq（multi-queue）框架，为每个 CPU 隔离软件队列并对接硬件分发队列，显著改善并行 I/O 性能（下一章详述）。
• 块层还包含 I/O 调度器（如 mq-deadline、kyber、bfq），并实现错误处理与 I/O 统计等能力。

块层的中心对象是块设备。除了磁带这类流式设备，大多数常见存储（机械盘、SSD、闪存设备）都属于块设备。

定义块设备

内核和外设交换数据主要有两类方式：

• 字符设备（character device）：一次处理一个字符，顺序访问，管理相对简单（如键盘、串口、文本终端）。
• 块设备（block device）：按固定大小块处理数据，支持随机访问，适合大规模数据读写（如 HDD/SSD/U 盘/CD-ROM）。

当数据量很大时，一次一个字符的方式明显不可行；块设备按固定块处理、支持寻址跳转，因此性能和适用范围都更强，但内核管理复杂度也更高。

块设备也可以在内存中存在（ramdisk）。常见场景是 Linux 启动阶段的 initrd，用于临时根文件系统。
但 RAM 是易失介质，断电后数据丢失，因此本书后续讨论中，“块设备”通常指持久化存储介质。

“块”在不同层次的含义

内核 I/O 栈不同层次对“块”的粒度定义不同：

• 用户态应用：通过系统调用读写的那段数据大小（应用自定义）。
• 页缓存（page cache）：基本传输单位是页，常见为 4 KB。
• 文件系统层：文件系统按其配置块大小做 I/O（常见 512 B 到 4 KB，有些可更大）。
• 物理存储层：最小可寻址单位通常是扇区（sector），常见 512 B（也有 4K 扇区）。

要特别注意：文件系统 block 不是块层 I/O 的最小单位。块层里最基础的单位是 sector。
内核中大量结构使用 sector_t 表示地址或偏移（以 512 字节为倍数）。

块设备的典型特性

• 随机访问（Random Access）：可在不同位置间跳转。
• 固定块传输：按固定大小块读写。
• 可堆叠（Stackability）：可通过 Device Mapper 叠加构建逻辑设备。
• 缓冲 I/O：大量依赖页缓存，写入先落缓存，之后刷盘。
• 可分区/可建文件系统：可切分为多个逻辑分区并分别建文件系统。
• 请求队列：通过 request queue 管理待处理 I/O。

在 Linux 中的表示

和 VFS 一样，块层的前提也是抽象统一。无论硬件型号如何，内核都应能通过统一接口处理。
按照 Linux “一切皆文件”的理念，块设备在系统中表现为特殊文件，位于 /dev 目录。

例如：

• sda：第一块 SCSI/SATA 类型磁盘（或同类命名体系）
• sda1：sda 上的第一个分区

你可以用 ls -l /dev/sd* 或 lsblk 查看设备：

在时间戳前会看到两组数字（以逗号分隔），这就是设备的主次设备号：

• major number：标识使用哪个驱动
• minor number：区分该驱动管理下的具体设备或分区实例

例如 sda、sda1、sda2 可以共享 major 8，而 minor 分别是 0/1/2。

当程序访问 /dev 下的设备文件时，内核先用 major 找到驱动，再用 minor 找到具体实例。

观察块层核心数据结构

管理块设备比管理字符设备复杂得多：要处理队列、调度、随机访问、吞吐与延迟平衡等问题。
这使得块层成为 Linux 内核中最复杂的子系统之一。下面聚焦本章最关键的一组结构：

• register_blkdev
• block_device
• gendisk
• buffer_head
• bio
• bio_vec
• request
• request_queue

register_blkdev（块设备注册）

块设备在可用之前，必须先向内核注册。核心入口为 register_blkdev()（宏转发到 __register_blkdev）：

int __register_blkdev(unsigned int major, const char *name,
                      void (*probe)(dev_t devt))

它做的关键事情包括：

• 从动态分配池申请 major number。
• 创建并初始化对应的驱动表示结构（含驱动名、major、操作函数指针等）。
• 建立块层与该驱动之间的必要关联。

可以把它看作“驱动向块层报到”的标准入口。

block_device（块设备实例）

block_device 定义在 include/linux/blk_types.h，用于表示“某个块设备实例”（可能是整盘，也可能是某个分区）：

struct block_device {
        sector_t                    bd_start_sect;
        sector_t                    bd_nr_sectors;
        struct disk_stats __percpu *bd_stats;
        unsigned long               bd_stamp;
        bool                        bd_read_only;
        dev_t                       bd_dev;
        atomic_t                    bd_openers;
        struct inode               *bd_inode;
        ...
};

要点：

• 打开设备文件时，会创建对应 block_device 实例。
• 分区场景可通过字段（如 bd_partno）区分具体分区。
• 块设备的 inode 属于 bdev 虚拟文件系统。
• 结构中会保存设备大小、起始扇区、只读属性等信息，并关联 gendisk 与请求队列。

gendisk（物理磁盘抽象）

gendisk 定义在 include/linux/blkdev.h，表示“物理磁盘这一整体对象”：

struct gendisk {
        int major;
        int first_minor;
        int minors;
        char disk_name[DISK_NAME_LEN];
        unsigned short events;
        unsigned short event_flags;
        ...
};

它可以理解为连接“文件系统/块层接口”和“硬件接口”的桥梁：

• 一个整盘会有一个主 block_device 与 gendisk 关联。
• 同时其分区也会有各自 block_device 实例。
• gendisk 由驱动分配和维护，再通过注册流程挂入内核。

常见字段：

• major：驱动主设备号
• first_minor：该设备分配 minor 的起始偏移
• minors：该盘可用 minor 总数
• fops：文件操作函数集
• private_data：驱动私有数据
• queue：对应请求队列（非常关键）
• disk_name：设备名称

buffer_head（内存中的块）

块设备读写高度依赖页缓存。数据从盘读入或写回前，都会先进入内存缓冲。
buffer_head（include/linux/buffer_head.h）就是“单个块在内存中的表示”：

struct buffer_head {
        unsigned long b_state;
        struct buffer_head *b_this_page;
        struct page *b_page;
        sector_t b_blocknr;
        size_t b_size;
        ...
};

关键字段（节选）：

• b_data：数据缓冲区起始地址
• b_size：缓冲区大小
• b_page：所在内存页
• b_blocknr：逻辑块号
• b_state：缓冲区状态（如 BH_Uptodate、BH_Dirty）
• b_count：引用计数
• b_bdev：所属块设备
• b_end_io：I/O 完成回调

历史上（2.6 之前）buffer_head 还承担 I/O 容器角色，导致大 I/O 时内存开销很高。之后该角色被 bio 取代。

bio（活动中的块 I/O）

由于 buffer_head 作为 I/O 容器存在局限，内核引入 bio 来表示正在进行的块 I/O。
bio 自 2.5 起成为块层 I/O 的基础单位，定义在 include/linux/blk_types.h：

struct bio {
        struct bio          *bi_next;
        struct block_device *bi_bdev;
        unsigned int         bi_opf;
        ...
        unsigned short       bi_max_vecs;
        atomic_t             __bi_cnt;
        struct bio_vec      *bi_io_vec;
        ...
};

关键字段（节选）：

• bi_next：链到下一个 bio（一个请求可能拆成多个 bio）
• bi_vcnt：本次 I/O 包含的 bio_vec 数量
• bi_io_vec：bio_vec 数组指针，描述数据缓冲区位置/长度
• bi_end_io：I/O 完成回调
• bi_private：私有上下文
• bi_opf：I/O 选项和标记（如同步、缓存控制等）

流程上，文件系统会把请求翻译成一个或多个 bio，再通过 submit_bio() 下发到块层并进入请求队列。
submit_bio() 提交后通常异步返回，不阻塞等待 I/O 完成。

bio_vec（向量 I/O / scatter-gather）

bio_vec 定义在 include/linux/bvec.h：

struct bio_vec {
        struct page *bv_page;
        unsigned int bv_len;
        unsigned int bv_offset;
};

字段含义：

• bv_page：数据所在页
• bv_offset：数据在页内偏移
• bv_len：数据长度

它用于描述散聚（scatter-gather）I/O：
数据可分散在多个非连续内存缓冲区，块层以一个 bio 挂多个 bio_vec 来统一表达。

request 与 request_queue（待处理 I/O）

当 I/O 提交到块层后，会创建 request 并进入 request_queue。
它们定义在 include/linux/blk-mq.h 与 include/linux/blkdev.h。

struct request {
        struct request_queue *q;
        struct blk_mq_ctx    *mq_ctx;
        struct blk_mq_hw_ctx *mq_hctx;
        ...
};

request 关键字段（节选）：

• q：所属请求队列
• mq_ctx：CPU 维度的软件队列上下文
• mq_hctx：硬件队列上下文
• queuelist：等待处理的请求链表
• rq_next：队列中的下一个请求
• sector：I/O 起始扇区
• bio / biotail：关联 bio 链表的头尾

request_queue 关键字段（节选）：

• last_merge：最近一次可合并请求
• elevator：I/O 调度器
• q_usage_counter：队列引用计数（per-CPU）
• rq_qos：请求 QoS 控制
• mq_ops：多队列操作函数集
• disk：关联的 gendisk

一次块 I/O 请求的旅程

下面先概括各结构扮演的角色：

结构	表示对象	作用简述
gendisk	物理磁盘	描述整盘属性（容量、几何参数等）
block_device	块设备实例	描述具体设备/分区、主次号及其队列
buffer_head	内存中的块	跟踪读入或待写回的数据块
request	I/O 请求	描述请求类型、起始扇区等
request_queue	请求队列	管理待处理请求及调度状态
bio	块 I/O	高层 I/O 表示，可包含多个数据段
bio_vec	散聚缓冲段	描述单个数据缓冲区（页+偏移+长度）

当进程发起 I/O 时，典型流程如下：

1. 应用在用户地址空间缓冲区写入数据。
2. 块层构造 buffer_head 表示该数据块。
3. 块层构造 bio，并把缓冲映射为一个或多个 bio_vec。
4. bio 通过 request 进入目标设备的 request_queue。
5. 对应驱动（通过 register_blkdev 注册）从队列取请求并调度。
6. 根据设备约束，bio 可能进一步拆分为多个 request。
7. 驱动把数据写入物理设备或从物理设备读取。
8. I/O 完成后，驱动通知块层。
9. 块层更新缓冲和相关结构，标记请求完成并唤醒等待进程。
10. 对应 buffer_head 状态同步为最新。

补充：旧内核的请求队列模型是单队列，难以发挥现代多核与高速设备能力。
从 Linux 3.13 开始引入 blk-mq 多队列框架，下一章会深入展开。

总结

本书第一部分（Chapter 1-3）讲 VFS 与文件系统；第二部分（Chapter 4-6）进入块层。
本章完成了第二部分的起点：解释块层在内核中的角色，以及它如何管理块设备 I/O。

相比只能顺序访问的字符设备，块设备必须支持随机访问，并在性能上更敏感。
因此，Linux 内核在块层实现了一整套复杂结构（block_device、gendisk、bio、request_queue 等）来组织、调度与执行 I/O。

下一章将在这些基础上继续展开：多队列模型（blk-mq）与 Device Mapper 如何协同处理块层请求。