Linux 块设备，Block Layer层架构演变

前言

Block Layer层在整个I/O中负责承上启下，上接文件系统，下接块驱动。
我不想直接讨论代码，希望从一个架构的演变来初探一下Block Layer层。

一、1.0版本

首先我们来了解几个重要的数据结构

1.1 bio

bio代表了一次I/0请求，代表一个块设备的一个扇区或者多个连续扇区的数据请求，扇区是块设备的最小访问单元，bio是文件系统发给Block Layer层的。

1.2 request

request代表块设备可以处理的一次任务单元，一个request由一个bio或者多个扇区相连的bio组成。

1.3 架构图

1.4 小结

Block Layer将文件系统提供的bio变成request，然后交给块设备驱动处理。

二、2.0版本

目前只支持单个进程访问块设备。为了可以支持多进程，我们在块设备驱动中创建一个队列：request_queue，所有的进程发起bio生成的request，会被投递到request_queue，块设备循环处理request_queue中的request。

2.1 request_queue

每一个块设备都有一个工作队列，request_queue，保存准备就绪待处理的request。

2.2 架构图

2.3 小结

这样子就实现了多个进程同时访问块设备，而且在新的一个bio变成request之前，可以先看看该bio能否合并到request_queue的某个request，这样子就可以提升bio处理的效率。

三、3.0版本

好像看起来2.0已经挺完美了，但是request_queue会有一把锁控制，如果多个进程短时间发起多个bio，多个进程不断竞争锁，这样子性能不是很好，我们就引入了plug。

3.1 plug

plug翻译成中文就是塞子，每一个进程会有一个plug，plug是一个request的list，先将一个进程短时间发起的所有bio生成request先堆积到当前进程的plug list，然后在等待特定时机释放plug中的requests到request_queue，这样子可以提升bio处理的效率。

3.2 架构图

3.3 小结

架构越来越完美了，除了上面的流程，在新的一个bio变成request之前，先看看能不能合并到plug里面的某个request中，如果不行在，再看看能否合并到request_queue里面的某个request中，如果不行再变成request，然后放到plug list中，等待积攒一定量之后，统一放置request_queue里面。

四、4.0版本

看起来好像3.0已经很完美了，但是我们会发现3.0有两个明显的优化点。

优化点1：

传统的块设备是机械磁盘，这种硬件是靠一个磁头不断移动进行访问数据的，如果我们可以把所有request排序，这样子就可以提升块设备的访问效率。

举个例子：一个外卖员需要送很多外卖到一个办公楼，他将外卖按楼层排序合并，然后一层层的送，肯定比随机拿一个外卖，然后一层层的送的速度快。

优化点2：

每个块设备单位时间处理request的次数是有限的，如果我们可以提升前台的进程request被处理的优先级，这样子就可以带来更好的用户体验。

4.1 scheduler

翻译成中文就是调度器，scheduler就是可以解决上述的两个优化点，scheduler会在内部创建自定义的各种队列来存放plug释放出来的request，然后scheduler对这个所有的request进行一个调度，按照特定的规则再分发给request_queue，让块设备处理。

4.2 架构图

4.3 小结

有了scheduler，我们就可以实现所有request的重新排序甚至合并，还可以对不同进程的request进行不同的优先级控制，目前linux支持的scheduler有：CFQ，deadline等

5、总结

学习Block Layer层，其实就是学习以上几个重要的部分：bio，request，plug，scheduler，request_queue，而且linux的single-queue架构就是和4.0版的架构差不多，目前手机上基本采用这个single-queue的架构。

linux目前除了支持single-queue，还支持multi-queue，我就不展开讲的，整体的结构很类似。

6、尾巴

整个流程好像看起来很爽，其实我们根本没有关注过进程的调度，我说的进程就是task_struct，多个进程同时发送bio，最后将bio变成request送给了scheduler进行调度，这些代码运行在各自的进程上，然后scheduler再将request分发给块设备处理这个又运行在另一个单独的进程上。如何让多个进程发完request之后休眠，如何让块设备驱动处理完之后唤醒这些休眠的进程。这个唤醒的关键点：在于bio结构体中的bio_end_io_t *bi_end_io这个callback函数指针。