一、剖析一个块设备
块设备最小的可寻址单元是扇区。 扇区大小一般是2的整数倍，最常见的是512字节。
因为各种软件的用途不同，所以他们都会用到自己的最小逻辑可寻址单元----块。块只能基于文件系统，是一种抽象。
而扇区是设备的最小可寻址单元，所以块不能比扇区还小，只能数倍于扇区大小。此外内核要求块是2的整数倍。
至此，块最终要求是：必须是扇区大小的2的整数倍，并且要小于页面大小。所以通常块是512字节、1KB或4KB。
扇区：设备最小寻址单元。别名：硬扇区、设备块
块：文件系统的最小寻址单元。别名：文件块、I/O块
块包含一个或多个扇区，但大小不能超过一个页。所以页可以容纳一个或多个内存中的块。
二、缓冲区和缓冲区头
当一个块被调入内存时，它要存储在一个缓冲区中。每个缓冲区与一个块对应，相当于磁盘块在内存中的表示。
每个缓冲区都有一个对应的描述符。该描述符用buffer_head结构体表示，称作缓冲区头，在文件<linux/buffer_head.h>中定义。
struct buffer_head {
unsigned long b_state; /* buffer state bitmap (see above)缓冲区状态标志位 */
struct buffer_head *b_this_page;/* circular list of page's buffers页面中的缓冲区 */
struct page *b_page; /* the page this bh is mapped to 存储缓冲区的页面*/
sector_t b_blocknr; /* start block number 其实块号*/
size_t b_size; /* size of mapping 映像的大小*/
char *b_data; /* pointer to data within the page 页面内的数据指针*/
struct block_device *b_bdev; /* 相关联的块设备 */
bh_end_io_t *b_end_io; /* I/O completion I/O完成方法*/
void *b_private; /* reserved for b_end_io io完成方法*/
struct list_head b_assoc_buffers; /* associated with another mapping 相关的映射链表*/
struct address_space *b_assoc_map; /* mapping this buffer is associated with 相关的地址空间*/
atomic_t b_count; /* users using this buffer_head 缓冲区使用计数*/
};struct buffer_head
b_count域表示缓冲区的使用记数，可通过两个定义在文件<linux/buffer_head.h>中内联函数对此域进行增减。
static inline void get_bh(struct buffer_head *bh)
{
atomic_inc(&bh->b_count);
}
get_bh
static inline void put_bh(struct buffer_head *bh)
{
atomic_dec(&bh->b_count);
}
put_bh
合法的标志存放在bh_state_bits枚举中，该枚举在<linux/buffer_head.h>中定义：
enum bh_state_bits {
BH_Uptodate, /* Contains valid data 包含可用数据*/
BH_Dirty, /* Is dirty 脏数据*/
BH_Lock, /* Is locked */
BH_Req, /* Has been submitted for I/O 有IO操作请求*/
BH_Uptodate_Lock,/* Used by the first bh in a page, to serialise
* IO completion of other buffers in the page 被IO操作占用
*/
BH_Mapped, /* Has a disk mapping 映射了磁盘块*/
BH_New, /* Disk mapping was newly created by get_block 缓冲区用get_block刚刚获取的，还不能使用*/
BH_Async_Read, /* Is under end_buffer_async_read I/O 正在被异步读*/
BH_Async_Write, /* Is under end_buffer_async_write I/O 正在被异步写*/
BH_Delay, /* Buffer is not yet allocated on disk 尚未与磁盘关联*/
BH_Boundary, /* Block is followed by a discontiguity 缓冲区在连续块边缘*/
BH_Write_EIO, /* I/O error on write 写入时遇到错误*/
BH_Unwritten, /* Buffer is allocated on disk but not written */
BH_Quiet, /* Buffer Error Prinks to be quiet 禁止错误*/
BH_Meta, /* Buffer contains metadata */
BH_Prio, /* Buffer should be submitted with REQ_PRIO */
BH_Defer_Completion, /* Defer AIO completion to workqueue */
BH_PrivateStart,/* not a state bit, but the first bit available
* for private allocation by other entities
*/
};bh_state_bits
bh_state_bits还有一个特殊标志，BH_PrivateStart，该标志不是可用状态标志。
三、bio结构体
内核中块I/O操作基本容器由bio结构表示，定义在文件<linux/bio.h>中。
该结构体代表了正在现场的（活动的）以片段（segment）链表形式组织的块I/O操作。
/*
* main unit of I/O for the block layer and lower layers (ie drivers and
* stacking drivers)
*/
struct bio {
struct bio *bi_next; /* request queue link 请求链表*/
struct block_device *bi_bdev; /* 相关的块设备 */
unsigned int bi_flags; /* status, command, etc 状态和命令标志 */
int bi_error;
unsigned long bi_rw; /* bottom bits READ/WRITE,
* top bits priority 读还是写
*/ struct bvec_iter bi_iter; /* Number of segments in this BIO after
* physical address coalescing is performed. 结合后的片段数目
*/
unsigned int bi_phys_segments; /*
* To keep track of the max segment size, we account for the
* sizes of the first and last mergeable segments in this bio. 第一个可合并的段大小，最后一个可合并的段大小
*/
unsigned int bi_seg_front_size;
unsigned int bi_seg_back_size; atomic_t __bi_remaining; bio_end_io_t *bi_end_io; /* bi io完成方法 */ void *bi_private; /* 拥有者的私有方法 */
#ifdef CONFIG_BLK_CGROUP
/*
* Optional ioc and css associated with this bio. Put on bio
* release. Read comment on top of bio_associate_current().
*/
struct io_context *bi_ioc;
struct cgroup_subsys_state *bi_css;
#endif
union {
#if defined(CONFIG_BLK_DEV_INTEGRITY)
struct bio_integrity_payload *bi_integrity; /* data integrity */
#endif
}; unsigned short bi_vcnt; /* how many bio_vec's bio链表个数*/ /*
* Everything starting with bi_max_vecs will be preserved by bio_reset()
*/ unsigned short bi_max_vecs; /* max bvl_vecs we can hold */ atomic_t __bi_cnt; /* pin count */ struct bio_vec *bi_io_vec; /* the actual vec list bio链表*/ struct bio_set *bi_pool; /*
* We can inline a number of vecs at the end of the bio, to avoid
* double allocations for a small number of bio_vecs. This member
* MUST obviously be kept at the very end of the bio.内嵌bio向量
*/
struct bio_vec bi_inline_vecs[];
};
struct bio
bi_io_vec是bio_vec的链表指针，共有bi_vcnt个，当前指向bi_idx位置。bi_vcnt域用来描述bi_io_vec所指向的vio_vec数组中的向量数目。
3.1 I/O向量
bi_io_vec域指向一个bio_vec结构体数组，该结构体链表包含一个特定I/O操作所需要使用的所有片段。
每个bio_vec结构都是一个形式为<page, offset, len>的向量，它描述的是一个特定的片段。片段所在的物理页、块在物理页中的偏移位置、从给定偏移量开始的块长度。
/*
* was unsigned short, but we might as well be ready for > 64kB I/O pages
*/
struct bio_vec {
/* 指向这个缓冲区所驻留的物理页 */
struct page *bv_page;
/* 这个缓冲区以字节为单位的大小 */
unsigned int bv_len;
/* 缓冲区所驻留的页中以字节为单位的偏移量 */
unsigned int bv_offset;
};
struct bio_vec
总而言之，每一个I/O请求都通过一个bio结构体表示。每个请求包含一个或多个块，这些块存储在bio_vec结构体数组中。
bi_cnt域记录bio结构体的使用计数，如果该值减为0，就撤销该bio结构体。并释放占用的内存。
void bio_get(struct bio *bio)
void bio_put(struct bio *bio)
计数操作
bi_private域，是一个私有域。只有创建了bio结构的拥有者可以读写。
利用bio结构体代替buffer_head结构体有以下好处：
- bio结构体很容易处理高端内存，因为它处理的是物理页而不是直接指针。
- bio结构体既可以代表普通页I/O，同时也可以代表直接I/O
- bio结构体便于执行分散--集中块I/O操作，操作中的数据可取自多个物理页面。
- bio结构体相比缓冲区头属于轻量级的结构体。因为它只需要包含块I/O操作所需的信息就行了，不用包含与缓冲区本身相关的不必要信息。
四、请求队列
块设备将他们挂起在块I/O请求保存在请求队列中，该队列有reques_queue结构体表示，定义在文件<linux/blkdev.h>中，包含要给双向请求链表以及相关控制信息。
队列中的请求由request表示，定义在<linux/blkdev.h>中。
bio使用例程：
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/genhd.h>
#include <linux/string.h>
#include <uapi/linux/major.h>
#include <linux/blkdev.h> #define SIMP_BLKDEV_DISK_NAME "simp_blkdev"
#define SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR COMPAQ_SMART2_MAJOR7;
#define SIMP_BLKDEV_BYTES (16*1024*1024) static struct gendisk *simp_blkdev_disk;
static struct request_queue *simp_blkdev_queue;
unsigned char simp_blkdev_data[SIMP_BLKDEV_BYTES]; static void simp_blkdev_do_request(struct request_queue *q); struct block_device_operations simp_blkdev_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
}; static void simp_blkdev_do_request(struct request_queue *q)
{
struct request *req;
struct bio *req_bio;
struct bio_vec *bvec;
char *disk_mem;
char *buffer;
int i = ;
//get request from queue
while((req = blk_fetch_request(q))!=NULL) {
//request ok?
if((blk_rq_pos(req) << ) + blk_rq_cur_bytes(req) > SIMP_BLKDEV_BYTES) {
printk(KERN_ERR SIMP_BLKDEV_DISK_NAME
":bad request:block=%llu,count=%u\n",
(unsigned long long)blk_rq_pos(req),
blk_rq_cur_bytes(req));
blk_end_request_all(req, -EIO);
continue;
}
//get memory position
disk_mem = simp_blkdev_data + (blk_rq_pos(req) << );
req_bio = req->bio; switch(rq_data_dir(req)) {
case READ:
while(req_bio != NULL) {
for(i=;i<req_bio->bi_vcnt;i++) {
bvec = &(req_bio->bi_io_vec[i]);
buffer = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;
memcpy(buffer, disk_mem, bvec->bv_len);
kunmap(bvec->bv_page);
disk_mem += bvec->bv_len;
}
req_bio = req_bio->bi_next;
}
__blk_end_request_all(req, );
break;
case WRITE:
while(req_bio != NULL) {
for(i=;i<req_bio->bi_vcnt;i++) {
bvec = &(req_bio->bi_io_vec[i]);
buffer = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;
memcpy(disk_mem, buffer, bvec->bv_len);
kunmap(bvec->bv_page);
disk_mem += bvec->bv_len;
}
req_bio = req_bio->bi_next;
}
__blk_end_request_all(req, );
break;
default:
break;
}
}
} static int __init init_base(void)
{
int ret;
printk("----Hello World----\n");
/* init queue */
simp_blkdev_queue = blk_init_queue(simp_blkdev_do_request, NULL);
if(!simp_blkdev_queue) {
ret = -ENOMEM;
goto err_init_queue;
} /* init gendisk */
simp_blkdev_disk = alloc_disk();
if(!simp_blkdev_disk) {
ret = -ENOMEM;
goto err_alloc_disk;
}
strcpy(simp_blkdev_disk->disk_name, SIMP_BLKDEV_DISK_NAME);
simp_blkdev_disk->major = SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR;
simp_blkdev_disk->first_minor = ;
simp_blkdev_disk->fops = &simp_blkdev_fops;
simp_blkdev_disk->queue = simp_blkdev_queue;
set_capacity(simp_blkdev_disk, SIMP_BLKDEV_BYTES>>); add_disk(simp_blkdev_disk);
return ; err_alloc_disk:
blk_cleanup_queue(simp_blkdev_queue);
err_init_queue:
return ret;
} static void __exit exit_base(void)
{
blk_cleanup_queue(simp_blkdev_queue);
put_disk(simp_blkdev_disk);
del_gendisk(simp_blkdev_disk);
printk("----exit ----\n");
} module_init(init_base);
module_exit(exit_base); MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("chen");
MODULE_DESCRIPTION("bio test");
mybio
参考资料：https://lwn.net/Articles/736534/
https://www.xuebuyuan.com/3227084.html
https://blog.csdn.net/cxy_chen/article/details/80998510
http://bbs.chinaunix.net/thread-2017377-1-1.html