Linux内核设计与实现 - 第14章 块I/O层

目录

• • [1. 块设备基本概念](#1. 块设备基本概念)
  • [2. 块I/O层架构](#2. 块I/O层架构)
  • [3. 核心数据结构](#3. 核心数据结构)
  • • [3.1 bio结构体](#3.1 bio结构体)
    • [3.2 request结构体](#3.2 request结构体)
  • [4. I/O调度算法](#4. I/O调度算法)
  • [5. 请求队列处理流程](#5. 请求队列处理流程)
  • [6. 性能优化技术](#6. 性能优化技术)
  • [7. 实验：跟踪块I/O请求](#7. 实验：跟踪块I/O请求)

1. 块设备基本概念

• 定义：以固定大小数据块为单位进行寻址和访问的设备
• 典型设备：硬盘、SSD、CD-ROM等
• 与字符设备区别 ：
  • 可随机访问
  • 通常需要缓冲
  • 支持复杂的I/O调度

2. 块I/O层架构

用户空间 VFS 文件系统 块I/O层 I/O调度层 设备驱动 物理设备

3. 核心数据结构

3.1 bio结构体

struct bio {
    struct bio *bi_next;       // 请求链表
    struct block_device *bi_bdev; // 关联的块设备
    unsigned long bi_flags;    // 状态和命令标志
    struct bvec_iter bi_iter;  // 当前处理位置
    struct bio_vec *bi_io_vec; // bio向量数组
    unsigned short bi_vcnt;    // bio向量数量
    // ...
};

3.2 request结构体

struct request {
    struct list_head queuelist; // 请求队列链表
    struct request_queue *q;    // 所属请求队列
    struct bio *bio;           // 关联的bio
    struct bio *biotail;       // 最后一个bio
    // ...
};

4. I/O调度算法

算法名称	特点	适用场景
Noop	简单FIFO队列	SSD设备
CFQ	公平队列，时间片轮转	桌面系统
Deadline	读写请求分离，保证延迟	数据库系统
Anticipatory	预测性调度，减少磁头移动	传统机械硬盘

5. 请求队列处理流程

1. bio提交到块I/O层
2. 合并到现有request或创建新request
3. 进入I/O调度队列
4. 驱动处理request
5. 完成中断处理
6. bio完成回调

6. 性能优化技术

• 请求合并：前后相邻请求合并
• 预读机制：预测性读取后续数据
• 写回缓存：延迟写入提升吞吐量
• 多队列(blk-mq)：现代SSD优化技术

7. 实验：跟踪块I/O请求

# 使用blktrace工具
blktrace -d /dev/sda -o trace
blkparse -i trace.blktrace.* > output.txt

# 查看调度器
cat /sys/block/sda/queue/scheduler