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分类: LINUX

2014-05-04 17:50:59

原文地址:Linux文件系统之文件的读写 作者:p2pt

一:前言
文件的读写是文件系统中最核心也是最复杂的一部份,它牵涉到了很多的概念.之前分析文件系统其它操作的时候,遇到与文件系统相关的读写部份都忽略过去了.在这一节里,来讨论一下文件的读写是怎样实现的.
二:I/O请求的概述
如之前所提到的,为了提高文件的操作效率,文件系统中的内容都是缓存在内存里的.每当发起一个Rear/Write请求的时候,都会到页面高速缓存中寻找具体的页面.如果页面不存在,则在页面高速缓存中建立相关页面的缓存.如果当前的页面不是最新的.那就必须要到具体的文件系统中读取数据了.一般来说,内核提供了这样的界面:它产生一个I/O请求.这个界面为上层隐藏了下层的不同实现.在这个界面中,将产生的I/O请求提交给I/O调度.再与I/O调度调用具体的块设备驱动程序.
整个过程如下图所示:
上图中的Generic Block Layer就是上面描述中所说的I/O的界面.
接下来我们以上图从下到上的层次进行讨论.
三:块设备驱动
块设备与字符设备的区别在于:块设备可以随机的访问,例如磁盘.正是因为它可以随机访问,内核才需要一个高效的手段去管理每一个块设备.例如对磁盘的操作,每次移动磁针都需要花不少的时候,所以尽量让其处理完相同磁道内的请求再将磁针移动到另外的磁道.而对于字符设备来说,不存在这样的顾虑,只需按顺序从里面读/写就可以了.
先来看一下块设备驱动所涉及到的数据结构.
3.1: block_device结构:
struct block_device {
     //主次驱备号
     dev_t              bd_dev;  /* not a kdev_t - it's a search key */
     //指向bdev文件系统中块设备对应的文件索引号
     struct inode *         bd_inode; /* will die */
     //计数器,统计块驱备被打开了多少次
     int           bd_openers;
     // 块设备打开和关闭的信号量
     struct semaphore   bd_sem;  /* open/close mutex */
     //禁止在块设备上建行新安装的信号量
     struct semaphore   bd_mount_sem; /* mount mutex */
     //已打开的块设备文件inode链表
     struct list_head   bd_inodes;
     //块设备描述符的当前拥有者
     void *             bd_holder;
     //统计字段,统计对bd_holder进行更改的次数
     int           bd_holders;
     //如果当前块设备是一个分区,此成员指向它所属的磁盘的设备
     //否则指向该描述符的本身
     struct block_device *  bd_contains;
     //块大小
     unsigned      bd_block_size;
     //指向分区描述符的指针
     struct hd_struct * bd_part;
     /* number of times partitions within this device have been opened. */
     //统计字段,统计块设备分区被打开的次数
     unsigned      bd_part_count;
     //读取块设备分区表时设置的标志
     int           bd_invalidated;
     //指向块设备所属磁盘的gendisk
     struct gendisk *   bd_disk;
     //指向块设备描述符链表的指针
     struct list_head   bd_list;
     //指向块设备的专门描述符backing_dev_info
     struct backing_dev_info *bd_inode_backing_dev_info;
     /*
      * Private data.  You must have bd_claim'ed the block_device
      * to use this.  NOTE:  bd_claim allows an owner to claim
      * the same device multiple times, the owner must take special
      * care to not mess up bd_private for that case.
      */
      //块设备的私有区
     unsigned long      bd_private;
}
通常,对于块设备来说还涉及到一个分区问题.分区在内核中是用hd_struct来表示的.
3.2: hd_struct结构:
struct hd_struct {
     //磁盘分区的起始扇区
     sector_t start_sect;
     //分区的长度,即扇区的数目
     sector_t nr_sects;
     //内嵌的kobject
     struct kobject kobj;
     //分区的读操作次数,读取扇区数,写操作次数,写扇区数
     unsigned reads, read_sectors, writes, write_sectors;
     //policy:如果分区是只读的,置为1.否则为0
     //partno:磁盘中分区的相对索引
     int policy, partno;
}
每个具体的块设备都会都应一个磁盘,在内核中磁盘用gendisk表示.
3.3: gendisk结构:
struct gendisk {
     //磁盘的主驱备号
     int major;             /* major number of driver */
     //与磁盘关联的第一个设备号
     int first_minor;
     //与磁盘关联的设备号范围
     int minors;                     /* maximum number of minors, =1 for
                                         * disks that can't be partitioned. */
     //磁盘的名字
     char disk_name[32];         /* name of major driver */
     //磁盘的分区描述符数组                                      
     struct hd_struct **part;    /* [indexed by minor] */
     //块设备的操作指针
     struct block_device_operations *fops;
     //指向磁盘请求队列指针
     struct request_queue *queue;
     //块设备的私有区
     void *private_data;
     //磁盘内存区大小(扇区数目)
     sector_t capacity;
     //描述磁盘类型的标志
     int flags;
     //devfs 文件系统中的名字
     char devfs_name[64];        /* devfs crap */
     //不再使用
     int number;            /* more of the same */
     //指向磁盘中硬件设备的device指针
     struct device *driverfs_dev;
     //内嵌kobject指针
     struct kobject kobj;
     //记录磁盘中断定时器
     struct timer_rand_state *random;
     //如果只读,此值为1.否则为0
     int policy;
     //写入磁盘的扇区数计数器
     atomic_t sync_io;      /* RAID */
     //统计磁盘队列使用情况的时间戳
     unsigned long stamp, stamp_idle;
     //正在进行的I/O操作数
     int in_flight;
     //统计每个CPU使用磁盘的情况
#ifdef   CONFIG_SMP
     struct disk_stats *dkstats;
#else
     struct disk_stats dkstats;
#endif
}
以上三个数据结构的关系,如下图所示:
如上图所示:
每个块设备分区的bd_contains会指它的总块设备节点,它的bd_part会指向它的分区表.bd_disk会指向它所属的磁盘.
从上图中也可以看出:每个磁盘都会对应一个request_queue.对于上层的I/O请求就是通过它来完成的了.它的结构如下:
3.4:request_queue结构:
struct request_queue
{
     /*
      * Together with queue_head for cacheline sharing
      */
      //待处理请求的链表
     struct list_head   queue_head;
     //指向队列中首先可能合并的请求描述符
     struct request         *last_merge;
     //指向I/O调度算法指针
     elevator_t         elevator;
 
     /*
      * the queue request freelist, one for reads and one for writes
      */
      //为分配请请求描述符所使用的数据结构
     struct request_list    rq;
 
     //驱动程序策略例程入口点的方法
     request_fn_proc        *request_fn;
     //检查是否可能将bio合并到请求队列的最后一个请求的方法
     merge_request_fn   *back_merge_fn;
     //检查是否可能将bio合并到请求队列的第一个请求中的方法
     merge_request_fn   *front_merge_fn;
     //试图合并两个相邻请求的方法
     merge_requests_fn  *merge_requests_fn;
     //将一个新请求插入请求队列时所调用的方法
     make_request_fn        *make_request_fn;
     //该方法反这个处理请求的命令发送给硬件设备
     prep_rq_fn         *prep_rq_fn;
     //去掉块设备方法
     unplug_fn     *unplug_fn;
     //当增加一个新段时,该方法驼回可插入到某个已存在的bio  结构中的字节数
     merge_bvec_fn      *merge_bvec_fn;
     //将某个请求加入到请求队列时,会调用此方法
     activity_fn        *activity_fn;
     //刷新请求队列时所调用的方法
     issue_flush_fn         *issue_flush_fn;
 
     /*
      * Auto-unplugging state
      */
      //插入设备时所用到的定时器
     struct timer_list  unplug_timer;
     //如果请求队列中待处理请求数大于该值,将立即去掉请求设备
     int           unplug_thresh;     /* After this many requests */
     //去掉设备之间的延迟
     unsigned long      unplug_delay; /* After this many jiffies */
     //去掉设备时使用的操作队列
     struct work_struct unplug_work;
     //
     struct backing_dev_info backing_dev_info;
 
     /*
      * The queue owner gets to use this for whatever they like.
      * ll_rw_blk doesn't touch it.
      */
      //指向块设备驱动程序中的私有数据
     void          *queuedata;
     //activity_fn()所用的参数
     void          *activity_data;
 
     /*
      * queue needs bounce pages for pages above this limit
      */
      //如果页框号大于该值,将使用回弹缓存冲
     unsigned long      bounce_pfn;
     //回弹缓存区页面的分配标志
     int           bounce_gfp;
 
     /*
      * various queue flags, see QUEUE_* below
      */
      //描述请求队列的标志
     unsigned long      queue_flags;
 
     /*
      * protects queue structures from reentrancy
      */
      //指向请求队列锁的指针
     spinlock_t         *queue_lock;
 
     /*
      * queue kobject
      */
      //内嵌的kobject
     struct kobject kobj;
 
     /*
      * queue settings
      */
      //请求队列中允许的最大请求数
     unsigned long      nr_requests;  /* Max # of requests */
     //如果待请求的数目超过了该值,则认为该队列是拥挤的
     unsigned int       nr_congestion_on;
     //如果待请求数目在这个阀值下,则认为该队列是不拥挤的
     unsigned int       nr_congestion_off;
 
     //单个请求所能处理的最大扇区(可调的)
     unsigned short         max_sectors;
     //单个请求所能处理的最大扇区(硬约束)
     unsigned short         max_hw_sectors;
     //单个请求所能处理的最大物理段数
     unsigned short         max_phys_segments;
     //单个请求所能处理的最大物理段数(DMA的约束)
     unsigned short         max_hw_segments;
     //扇区中以字节 为单位的大小
     unsigned short         hardsect_size;
     //物理段的最大长度(以字节为单位)
     unsigned int       max_segment_size;
     //段合并的内存边界屏弊字
     unsigned long      seg_boundary_mask;
     //DMA缓冲区的起始地址和长度的对齐
     unsigned int       dma_alignment;
     //空闲/忙标记的位图.用于带标记的请求
     struct blk_queue_tag   *queue_tags;
     //请求队列的引用计数
     atomic_t      refcnt;
     //请求队列中待处理的请求数
     unsigned int       in_flight;
 
     /*
      * sg stuff
      */
      //用户定义的命令超时
     unsigned int       sg_timeout;
     //Not Use
     unsigned int       sg_reserved_size;
}
request_queue表示的是一个请求队列,每一个请求都是用request来表示的.
3.5: request结构:
struct request {
     //用来形成链表
     struct list_head queuelist; /* looking for ->queue? you must _not_
                        * access it directly, use
                        * blkdev_dequeue_request! */
     //请求描述符的标志              
     unsigned long flags;        /* see REQ_ bits below */
 
     /* Maintain bio traversal state for part by part I/O submission.
      * hard_* are block layer internals, no driver should touch them!
      */
     //要传送的下一个扇区
     sector_t sector;       /* next sector to submit */
     //要传送的扇区数目
     unsigned long nr_sectors;   /* no. of sectors left to submit */
     /* no. of sectors left to submit in the current segment */
     //当前bio段传送扇区的数目
     unsigned int current_nr_sectors;
     //要传送的下一个扇区号
     sector_t hard_sector;       /* next sector to complete */
     //整个过程中要传送的扇区号
     unsigned long hard_nr_sectors;   /* no. of sectors left to complete */
     /* no. of sectors left to complete in the current segment */
     //当前bio段要传送的扇区数目
     unsigned int hard_cur_sectors;
 
     /* no. of segments left to submit in the current bio */
     //
     unsigned short nr_cbio_segments;
     /* no. of sectors left to submit in the current bio */
     unsigned long nr_cbio_sectors;
 
     struct bio *cbio;      /* next bio to submit */
     //请求中第一个没有完成的bio
     struct bio *bio;       /* next unfinished bio to complete */
     //最后的bio
     struct bio *biotail;
     //指向I/O调度的私有区
     void *elevator_private;
     //请求的状态
     int rq_status;     /* should split this into a few status bits */
     //请求所引用的磁盘描述符
     struct gendisk *rq_disk;
     //统计传送失败的计数
     int errors;
     //请求开始的时间
     unsigned long start_time;
 
     /* Number of scatter-gather DMA addr+len pairs after
      * physical address coalescing is performed.
      */
      //请求的物理段数
     unsigned short nr_phys_segments;
 
     /* Number of scatter-gather addr+len pairs after
      * physical and DMA remapping hardware coalescing is performed.
      * This is the number of scatter-gather entries the driver
      * will actually have to deal with after DMA mapping is done.
      */
      //请求的硬段数
     unsigned short nr_hw_segments;
     //与请求相关的标识
     int tag;
     //数据传送的缓冲区,如果是高端内存,此成员值为NULL
     char *buffer;
     //请求的引用计数
     int ref_count;
     //指向包含请求的请求队列描述符
     request_queue_t *q;
     struct request_list *rl;
     //指向数据传送终止的completion
     struct completion *waiting;
     //对设备发达“特殊请求所用到的指针”
     void *special;
 
     /*
      * when request is used as a packet command carrier
      */
      //cmd中的数据长度
     unsigned int cmd_len;
     //请求类型
     unsigned char cmd[BLK_MAX_CDB];
     //data中的数据长度
     unsigned int data_len;
     //为了跟踪所传输的数据而使用的指针
     void *data;
     //sense字段的数据长度
     unsigned int sense_len;
     //指向输出sense缓存区
     void *sense;
     //请求超时
     unsigned int timeout;
 
     /*
      * For Power Management requests
      */
      //指向电源管理命令所用的结构
     struct request_pm_state *pm;
}
请求队列描述符与请求描述符都很复杂,为了简化驱动的设计,内核提供了一个API,供块设备驱动程序来初始化一个请求队列.这就是blk_init_queue().它的代码如下:
//rfn:驱动程序自动提供的操作I/O的函数.对应请求队列的request_fn
//lock:驱动程序提供给请求队列的自旋锁
request_queue_t *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)
{
     request_queue_t *q;
     static int printed;
     //申请请求队列描述符
     q = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
     if (!q)
         return NULL;
     //初始化q->request_list
     if (blk_init_free_list(q))
         goto out_init;
 
     if (!printed) {
         printed = 1;
         printk("Using %s io scheduler\n", chosen_elevator->elevator_name);
     }
 
     //初始化请求队列描述符中的各项操作函数
     q->request_fn      = rfn;
     q->back_merge_fn       = ll_back_merge_fn;
     q->front_merge_fn      = ll_front_merge_fn;
     q->merge_requests_fn   = ll_merge_requests_fn;
     q->prep_rq_fn      = NULL;
     q->unplug_fn       = generic_unplug_device;
     q->queue_flags         = (1 << QUEUE_FLAG_CLUSTER);
     q->queue_lock      = lock;
 
    
     blk_queue_segment_boundary(q, 0xffffffff);
     //设置q->make_request_fn函数,初始化等待队对列的定时器和等待队列
     blk_queue_make_request(q, __make_request);
     //设置max_segment_size,max_hw_segments,max_phys_segments
     blk_queue_max_segment_size(q, MAX_SEGMENT_SIZE);
     blk_queue_max_hw_segments(q, MAX_HW_SEGMENTS);
     blk_queue_max_phys_segments(q, MAX_PHYS_SEGMENTS);
 
     /*
      * all done
      */
      //设置等待队列的I/O调度程序
     if (!elevator_init(q, chosen_elevator))
         return q;
     //失败的处理
     blk_cleanup_queue(q);
out_init:
     kmem_cache_free(requestq_cachep, q);
     return NULL;
}
这个函数中初始化了很多操作指针,这个函数在所有块设备中都是一样的,这样就为通用块设备层提供了一个统一的接口.对于块设备驱动的接口就是我们在blk_init_queue中设置的策略例程了.留意一下关于请求队列的各操作的设置,这在后续的分析中会用到.
另外,在请求结构中涉及到了bio结构.bio表示一个段.目前内核中关于I/O的所有操作都是由它来表示的.它的结构如下所示:
struct bio {
     //段的起始扇区
     sector_t      bi_sector;
     //下一个bio
     struct bio         *bi_next; /* request queue link */
     //段所在的块设备
     struct block_device    *bi_bdev;
     //bio的标志
     unsigned long      bi_flags; /* status, command, etc */
     //Read/Write
     unsigned long      bi_rw;        /* bottom bits READ/WRITE,
                             * top bits priority
                             */
     //bio_vec的项数
     unsigned short         bi_vcnt; /* how many bio_vec's */
     //当前正在操作的bio_vec
     unsigned short         bi_idx;       /* current index into bvl_vec */
 
     /* Number of segments in this BIO after
      * physical address coalescing is performed.
      */
      //结合后的片段数目
     unsigned short         bi_phys_segments;
 
     /* Number of segments after physical and DMA remapping
      * hardware coalescing is performed.
      */
      //重映射后的片段数目
     unsigned short         bi_hw_segments;
     //I/O计数
     unsigned int       bi_size; /* residual I/O count */
 
     /*
      * To keep track of the max hw size, we account for the
      * sizes of the first and last virtually mergeable segments
      * in this bio
      */
      //第一个可以合并的段大小
     unsigned int       bi_hw_front_size;
     //最后一个可以合并的段大小
     unsigned int       bi_hw_back_size;
     //最大的bio_vec项数
     unsigned int       bi_max_vecs;  /* max bvl_vecs we can hold */
     //bi_io_vec数组
     struct bio_vec         *bi_io_vec;   /* the actual vec list */
     //I/O完成的方法
     bio_end_io_t       *bi_end_io;
     //使用计数
     atomic_t      bi_cnt;       /* pin count */
     //拥有者的私有区
     void          *bi_private;
     //销毁此bio的方法
     bio_destructor_t   *bi_destructor;    /* destructor */
}
bio_vec的结构如下:
struct bio_vec {
     //bi_vec所表示的页面
     struct page   *bv_page;
     //数据区的长度
     unsigned int  bv_len;
     //在页面中的偏移量
     unsigned int  bv_offset;
}
关于bio与bio_vec的关系,用下图表示:
现在,我们来思考一个问题:
当一个I/O请求提交给请求队列后,它是怎么去调用块设备驱动的策略例程去完成这次I/O的呢?还有,当一个I/O请求被提交给请求队列时,会不会立即调用驱动中的策略例程去完成这次I/O呢?
实际上,为了提高效率,所有的I/O都会在一个特定的延时之后才会调用策略例程去完成本次I/O.我们来看一个反面的例子,假设I/O在被提交后马上得到执行.例如.磁盘有磁针在磁盘12.现在有一个磁道1的请求.就会将磁针移动到磁道1.操作完后,又有一个请求过来了,它要操作磁道11.然后又会将磁针移到磁道11.操作完后,又有一个请求过来,要求操作磁道4.此时会将磁针移到磁道4.这个例子中,磁针移动的位置是:12->1->11->4.实际上,磁针的定位是一个很耗时的操作.这样下去,毫无疑问会影响整个系统的效率.我们可以在整个延时内,将所有I/O操作按顺序排列在一起,然后再调用策略例程.于是上例的磁针移动就会变成12->11->4->1.此时磁针只会往一个方向移动.
至于怎么样排列请求和选取哪一个请求进行操作,这就是I/O调度的任务了.这部份我们在通用块层再进行分析.
内核中有两个操作会完成上面的延时过程.即:激活块设备驱动程序和撤消块设备驱动程序.
3.6:块设备驱动程序的激活和撤消
激活块设备驱动程序和撤消块设备驱动程序在内核中对应的接口为blk_plug_device()和blk_remove_plug().分别看下它们的操作:
void blk_plug_device(request_queue_t *q)
{
     WARN_ON(!irqs_disabled());
 
     /*
      * don't plug a stopped queue, it must be paired with blk_start_queue()
      * which will restart the queueing
      */
 
     //如果设置了QUEUE_FLAG_STOPPED.直接退出
     if (test_bit(QUEUE_FLAG_STOPPED, &q->queue_flags))
         return;
 
     //为请求队列设置QUEUE_FLAG_PLUGGED.
     if (!test_and_set_bit(QUEUE_FLAG_PLUGGED, &q->queue_flags))
         //如果之前请求队列的状态不为QUEUE_FLAG_PLUGGED,则设置定时器超时时间
         mod_timer(&q->unplug_timer, jiffies + q->unplug_delay);
}
 
int blk_remove_plug(request_queue_t *q)
{
     WARN_ON(!irqs_disabled());
 
     //将队列QUEUE_FLAG_PLUGGED状态清除
     if (!test_and_clear_bit(QUEUE_FLAG_PLUGGED, &q->queue_flags))
         //如果请求队列之前不为QUEUE_FLAG_PLUGGED标志,直接返回
         return 0;
//如果之前是QUEUE_FLAG_PLUGGED标志,则将定时器删除
     del_timer(&q->unplug_timer);
     return 1;
}
如果请求队列状态为QUEUE_FLAG_PLUGGED,且定时器超时,会有什么样的操作呢?
回忆在请求队列初始化函数中,blk_init_queue()会调用blk_queue_make_request().它的代码如下:
void blk_queue_make_request(request_queue_t * q, make_request_fn * mfn)
{
     ……
     ……
     q->unplug_delay = (3 * HZ) / 1000;   /* 3 milliseconds */
     if (q->unplug_delay == 0)
         q->unplug_delay = 1;
 
     INIT_WORK(&q->unplug_work, blk_unplug_work, q);
 
     q->unplug_timer.function = blk_unplug_timeout;
     q->unplug_timer.data = (unsigned long)q;
     ……
     ……
}
上面设置了定时器的时间间隔为(3*HZ)/1000.定时器超时的处理函数为blk_unplug_timeout().参数为请求队列本身.
blk_unplug_timeout()的代码如下:
static void blk_unplug_timeout(unsigned long data)
{
     request_queue_t *q = (request_queue_t *)data;
 
     kblockd_schedule_work(&q->unplug_work);
}
从上面的代码看出,定时器超时之后,会唤醒q->unplug_work这个工作对列.
在blk_queue_make_request()中,对这个工作队列的初始化为:
INIT_WORK(&q->unplug_work, blk_unplug_work, q)
即工作队列对应的函数为blk_unplug_work().对应的参数为请求队列本身.代码如下:
static void blk_unplug_work(void *data)
{
     request_queue_t *q = data;
 
     q->unplug_fn(q);
}
到此,就会调用请求队列的unplug_fn()操作.
在blk_init_queue()对这个成员的赋值如下所示:
     q->unplug_fn       = generic_unplug_device;
generic_unplug_device()对应的代码如下:
void __generic_unplug_device(request_queue_t *q)
{
     //如果请求队列是QUEUE_FLAG_STOPPED 状态,返回
     if (test_bit(QUEUE_FLAG_STOPPED, &q->queue_flags))
         return;
     //如果请求队列的状态是QUEUE_FLAG_PLUGGED.就会返回1
     if (!blk_remove_plug(q))
         return;
 
     /*
      * was plugged, fire request_fn if queue has stuff to do
      */
      //如果请求对列中的请求,则调用请求队列的reauest_fn函数.也就是驱动程序的
      //策略例程
     if (elv_next_request(q))
         q->request_fn(q);
}
blk_remove_plug()在上面已经分析过了.这里不再赘述.
归根到底,最后的I/O完成操作都会调用块设备驱动的策略例程来完成.
四:I/O调度层
I/O调度对应的结构如下所示:
struct elevator_s
{
     //当要插入一个bio时会调用
     elevator_merge_fn *elevator_merge_fn;
     elevator_merged_fn *elevator_merged_fn;
     elevator_merge_req_fn *elevator_merge_req_fn;
     //取得下一个请求
     elevator_next_req_fn *elevator_next_req_fn;
     //往请求队列中增加请求
     elevator_add_req_fn *elevator_add_req_fn;
     elevator_remove_req_fn *elevator_remove_req_fn;
     elevator_requeue_req_fn *elevator_requeue_req_fn;
 
     elevator_queue_empty_fn *elevator_queue_empty_fn;
     elevator_completed_req_fn *elevator_completed_req_fn;
 
     elevator_request_list_fn *elevator_former_req_fn;
     elevator_request_list_fn *elevator_latter_req_fn;
 
     elevator_set_req_fn *elevator_set_req_fn;
     elevator_put_req_fn *elevator_put_req_fn;
 
     elevator_may_queue_fn *elevator_may_queue_fn;
    
     //初始化与退出操作
     elevator_init_fn *elevator_init_fn;
     elevator_exit_fn *elevator_exit_fn;
 
     void *elevator_data;
 
     struct kobject kobj;
     struct kobj_type *elevator_ktype;
     //调度算法的名字
     const char *elevator_name;
}
我们以最简单的NOOP算法为例进行分析.
NOOP算法只是做简单的请求合并的操作.的定义如下:
elevator_t elevator_noop = {
     .elevator_merge_fn     = elevator_noop_merge,
     .elevator_merge_req_fn      = elevator_noop_merge_requests,
     .elevator_next_req_fn       = elevator_noop_next_request,
     .elevator_add_req_fn        = elevator_noop_add_request,
     .elevator_name              = "noop",
}
挨个分析里面的各项操作:
elevator_noop_merge():在请求队列中寻找能否有可以合并的请求.代码如下:
int elevator_noop_merge(request_queue_t *q, struct request **req,
              struct bio *bio)
{
     struct list_head *entry = &q->queue_head;
     struct request *__rq;
     int ret;
 
     //如果请求队列中有last_merge项.则判断last_merge项是否能够合并
     //在NOOP中一般都不会设置last_merge
     if ((ret = elv_try_last_merge(q, bio))) {
         *req = q->last_merge;
         return ret;
     }
 
     //遍历请求队列中的请求
     while ((entry = entry->prev) != &q->queue_head) {
         __rq = list_entry_rq(entry);
 
         if (__rq->flags & (REQ_SOFTBARRIER | REQ_HARDBARRIER))
              break;
         else if (__rq->flags & REQ_STARTED)
              break;
         //如果不是一个fs类型的请求?
         if (!blk_fs_request(__rq))
              continue;
         //判断能否与这个请求合并   
         if ((ret = elv_try_merge(__rq, bio))) {
              *req = __rq;
              q->last_merge = __rq;
              return ret;
         }
     }
 
     return ELEVATOR_NO_MERGE;
}
Elv_try_merge()用来判断能否与请求合并,它的代码如下:
inline int elv_try_merge(struct request *__rq, struct bio *bio)
{
     int ret = ELEVATOR_NO_MERGE;
 
     /*
      * we can merge and sequence is ok, check if it's possible
      */
      //判断rq与bio是否为同类型的请求
     if (elv_rq_merge_ok(__rq, bio)) {
         //如果请求描述符中的起始扇区+ 扇区数= bio的起始扇区
         //则将bio加到_rq的后面.
         //返回ELEVATOR_BACK_MERGE
         if (__rq->sector + __rq->nr_sectors == bio->bi_sector)
              ret = ELEVATOR_BACK_MERGE;
         //如果请求描述符中的起始扇区- 扇区数=bio的起始扇区
         //则将bio加到_rq的前面
          //返回ELEVATOR_FRONT_MERGE
         else if (__rq->sector - bio_sectors(bio) == bio->bi_sector)
              ret = ELEVATOR_FRONT_MERGE;
     }
 
     //如果不可以合并,返回ELEVATOR_NO_MERGE (值为0)
     return ret;
}
elv_rq_merge_ok()代码如下:
inline int elv_rq_merge_ok(struct request *rq, struct bio *bio)
{
     //判断rq是否可用
     if (!rq_mergeable(rq))
         return 0;
 
     /*
      * different data direction or already started, don't merge
      */
      //操作是否相同
     if (bio_data_dir(bio) != rq_data_dir(rq))
         return 0;
 
     /*
      * same device and no special stuff set, merge is ok
      */
      //要操作的对象是否一样
     if (rq->rq_disk == bio->bi_bdev->bd_disk &&
         !rq->waiting && !rq->special)
         return 1;
 
     return 0;
}
注意:如果检查成功返回1.失败返回0.
 
elevator_noop_merge_requests():将next 从请求队列中取出.代码如下:
void elevator_noop_merge_requests(request_queue_t *q, struct request *req,
                     struct request *next)
{
     list_del_init(&next->queuelist);
}
从上面的代码中看到,NOOP算法从请求队列中取出请求,只需要取链表结点即可.不需要进行额外的操作.
 
elevator_noop_next_request():取得下一个请求.代码如下:
struct request *elevator_noop_next_request(request_queue_t *q)
{
     if (!list_empty(&q->queue_head))
         return list_entry_rq(q->queue_head.next);
 
     return NULL;
}
很简单,取链表的下一个结点.
 
elevator_noop_add_request():往请求队列中插入一个请求.代码如下:
void elevator_noop_add_request(request_queue_t *q, struct request *rq,
                     int where)
{
     //默认是将rq插和到循环链表末尾
     struct list_head *insert = q->queue_head.prev;
     //如果要插到请求队列的前面
     if (where == ELEVATOR_INSERT_FRONT)
         insert = &q->queue_head;
 
     //不管是什么样的操作,都将新的请求插入到请求队列的末尾
     list_add_tail(&rq->queuelist, &q->queue_head);
 
     /*
      * new merges must not precede this barrier
      */
     if (rq->flags & REQ_HARDBARRIER)
         q->last_merge = NULL;
     else if (!q->last_merge)
         q->last_merge = rq;
}
 
五:通用块层的处理
通用块层的入口点为generic_make_request().它的代码如下:
void generic_make_request(struct bio *bio)
{
     request_queue_t *q;
     sector_t maxsector;
     //nr_sectors:要操作的扇区数
     int ret, nr_sectors = bio_sectors(bio);
 
     //可能会引起睡眠
     might_sleep();
     /* Test device or partition size, when known. */
     //最大扇区数目
     maxsector = bio->bi_bdev->bd_inode->i_size >> 9;
     if (maxsector) {
         //bio操作的起始扇区
         sector_t sector = bio->bi_sector;
 
         //如果最大扇区数<要操作的扇区数or 最大扇区数与起始扇区的差值小于要操作的扇区数
         //非法的情况
         if (maxsector < nr_sectors ||
             maxsector - nr_sectors < sector) {
              char b[BDEVNAME_SIZE];
              /* This may well happen - the kernel calls
               * bread() without checking the size of the
               * device, e.g., when mounting a device. */
              printk(KERN_INFO
                     "attempt to access beyond end of device\n");
              printk(KERN_INFO "%s: rw=%ld, want=%Lu, limit=%Lu\n",
                     bdevname(bio->bi_bdev, b),
                     bio->bi_rw,
                     (unsigned long long) sector + nr_sectors,
                     (long long) maxsector);
 
              set_bit(BIO_EOF, &bio->bi_flags);
              goto end_io;
         }
     }
 
     /*
      * Resolve the mapping until finished. (drivers are
      * still free to implement/resolve their own stacking
      * by explicitly returning 0)
      *
      * NOTE: we don't repeat the blk_size check for each new device.
      * Stacking drivers are expected to know what they are doing.
      */
     do {
         char b[BDEVNAME_SIZE];
         //取得块设备的请求对列
         q = bdev_get_queue(bio->bi_bdev);
     if (!q) {
              //请求队列不存在
              printk(KERN_ERR
                     "generic_make_request: Trying to access "
                   "nonexistent block-device %s (%Lu)\n",
                   bdevname(bio->bi_bdev, b),
                   (long long) bio->bi_sector);
end_io:
              //最终会调用bio->bi_end_io
              bio_endio(bio, bio->bi_size, -EIO);
              break;
         }
 
         //非法的情况
         if (unlikely(bio_sectors(bio) > q->max_hw_sectors)) {
              printk("bio too big device %s (%u > %u)\n",
                   bdevname(bio->bi_bdev, b),
                   bio_sectors(bio),
                   q->max_hw_sectors);
              goto end_io;
         }
 
         //如果请求队列为QUEUE_FLAG_DEAD
         //退出
         if (test_bit(QUEUE_FLAG_DEAD, &q->queue_flags))
              goto end_io;
 
         /*
          * If this device has partitions, remap block n
          * of partition p to block n+start(p) of the disk.
          */
          //如果当前块设备是一个分区,则转到分区所属的块设备
         blk_partition_remap(bio);
         //调用请求队列的make_request_fn()
         ret = q->make_request_fn(q, bio);
     } while (ret);
}
 
在blk_init_queue()中对请求队列的make_request_fn的设置如下所示:
blk_init_queue()—> blk_queue_make_request(q, __make_request)
void blk_queue_make_request(request_queue_t * q, make_request_fn * mfn)
{
     ……
     ……
     q->make_request_fn = mfn;
     ……
}
这里,等待队对的make_request_fn就被设置为了__make_request.这个函数的代码如下:
static int __make_request(request_queue_t *q, struct bio *bio)
{
     struct request *req, *freereq = NULL;
     int el_ret, rw, nr_sectors, cur_nr_sectors, barrier, err;
     sector_t sector;
 
     //bio的起始扇区
     sector = bio->bi_sector;
     //扇区数目
     nr_sectors = bio_sectors(bio);
     //当前bio中的bio_vec的扇区数目
     cur_nr_sectors = bio_cur_sectors(bio);
     //读/写
     rw = bio_data_dir(bio);
 
     /*
      * low level driver can indicate that it wants pages above a
      * certain limit bounced to low memory (ie for highmem, or even
      * ISA dma in theory)
      */
      //建立一个弹性回环缓存
     blk_queue_bounce(q, &bio);
 
     spin_lock_prefetch(q->queue_lock);
 
     barrier = bio_barrier(bio);
     if (barrier && !(q->queue_flags & (1 << QUEUE_FLAG_ORDERED))) {
         err = -EOPNOTSUPP;
         goto end_io;
     }
 
again:
     spin_lock_irq(q->queue_lock);
 
     //请求队列是空的
     if (elv_queue_empty(q)) {
         //激活块设备驱动
         blk_plug_device(q);
         goto get_rq;
     }
     if (barrier)
         goto get_rq;
     //调用I/O调度的elevator_merge_fn方法,判断这个bio能否和其它请求合并
     //如果可以合并,req参数将返回与之合并的请求描述符
     el_ret = elv_merge(q, &req, bio);
     switch (el_ret) {
         //可以合并.且bio加到req的后面
         case ELEVATOR_BACK_MERGE:
              BUG_ON(!rq_mergeable(req));
 
              if (!q->back_merge_fn(q, req, bio))
                   break;
 
              req->biotail->bi_next = bio;
              req->biotail = bio;
              req->nr_sectors = req->hard_nr_sectors += nr_sectors;
              drive_stat_acct(req, nr_sectors, 0);
              if (!attempt_back_merge(q, req))
                   elv_merged_request(q, req);
              goto out;
         //可以合并.且bio加到req的前面
         case ELEVATOR_FRONT_MERGE:
              BUG_ON(!rq_mergeable(req));
 
              if (!q->front_merge_fn(q, req, bio))
                   break;
 
              bio->bi_next = req->bio;
              req->cbio = req->bio = bio;
              req->nr_cbio_segments = bio_segments(bio);
              req->nr_cbio_sectors = bio_sectors(bio);
 
              /*
               * may not be valid. if the low level driver said
               * it didn't need a bounce buffer then it better
               * not touch req->buffer either...
               */
              req->buffer = bio_data(bio);
              req->current_nr_sectors = cur_nr_sectors;
              req->hard_cur_sectors = cur_nr_sectors;
              req->sector = req->hard_sector = sector;
              req->nr_sectors = req->hard_nr_sectors += nr_sectors;
              drive_stat_acct(req, nr_sectors, 0);
              if (!attempt_front_merge(q, req))
                   elv_merged_request(q, req);
              goto out;
 
         /*
          * elevator says don't/can't merge. get new request
          */
          //不可以合并.申请一个新的请求,将且加入请求队列
         case ELEVATOR_NO_MERGE:
              break;
 
         default:
              printk("elevator returned crap (%d)\n", el_ret);
              BUG();
     }
 
     /*
      * Grab a free request from the freelist - if that is empty, check
      * if we are doing read ahead and abort instead of blocking for
      * a free slot.
      */
get_rq:
     //freereq:是新分配的请求描述符
     if (freereq) {
         req = freereq;
         freereq = NULL;
     } else {
         //分配一个请求描述符
         spin_unlock_irq(q->queue_lock);
         if ((freereq = get_request(q, rw, GFP_ATOMIC)) == NULL) {
              /*
               * READA bit set
               */
               //分配失败
               err = -EWOULDBLOCK;
              if (bio_rw_ahead(bio))
                   goto end_io;
    
              freereq = get_request_wait(q, rw);
         }
         goto again;
     }
 
     req->flags |= REQ_CMD;
 
     /*
      * inherit FAILFAST from bio (for read-ahead, and explicit FAILFAST)
      */
     if (bio_rw_ahead(bio) || bio_failfast(bio))
         req->flags |= REQ_FAILFAST;
 
     /*
      * REQ_BARRIER implies no merging, but lets make it explicit
      */
     if (barrier)
         req->flags |= (REQ_HARDBARRIER | REQ_NOMERGE);
 
     //初始化新分配的请求描述符
     req->errors = 0;
     req->hard_sector = req->sector = sector;
     req->hard_nr_sectors = req->nr_sectors = nr_sectors;
     req->current_nr_sectors = req->hard_cur_sectors = cur_nr_sectors;
     req->nr_phys_segments = bio_phys_segments(q, bio);
     req->nr_hw_segments = bio_hw_segments(q, bio);
     req->nr_cbio_segments = bio_segments(bio);
     req->nr_cbio_sectors = bio_sectors(bio);
     req->buffer = bio_data(bio);     /* see ->buffer comment above */
     req->waiting = NULL;
     //将bio 关联到请求描述符
     req->cbio = req->bio = req->biotail = bio;
     req->rq_disk = bio->bi_bdev->bd_disk;
     req->start_time = jiffies;
     //请将求描述符添加到请求队列中
     add_request(q, req);
out: (R)
     if (freereq)
         __blk_put_request(q, freereq);
     //如果定义了BIO_RW_SYNC.
     //将调用__generic_unplug_device将块设备驱动,它会直接调用驱动程序的策略例程
     if (bio_sync(bio))
         __generic_unplug_device(q);
 
     spin_unlock_irq(q->queue_lock);
     return 0;
 
end_io:
     bio_endio(bio, nr_sectors << 9, err);
     return 0;
}
这个函数的逻辑比较简单,它判断bio能否与请求队列中存在的请求合并,如果可以合并,将其它合并到现有的请求.如果不能合并,则新建一个请求描述符,然后把它插入到请求队列中.上面的代码可以结合之前分析的NOOP算法进行理解.
重点分析一下请求描述符的分配过程:
分配一个请求描述符的过程如下所示:
         if ((freereq = get_request(q, rw, GFP_ATOMIC)) == NULL) {
              /*
               * READA bit set
               */
               //分配失败
               err = -EWOULDBLOCK;
              if (bio_rw_ahead(bio))
                   goto end_io;
    
              freereq = get_request_wait(q, rw);
         }
在分析这段代码之前,先来讨论一下关于请求描述符的分配方式.记得我们在分析请求队列描述符的时候,request_queue中有一个成员:struct request_list  rq;
它的数据结构如下:
struct request_list {
     //读/写请求描述符的分配计数
     int count[2];
     //分配缓存池
     mempool_t *rq_pool;
     //如果没有空闲内存时.读/写请求的等待队列
     wait_queue_head_t wait[2];
};
如果当前空闲内存不够.则会将请求的进程挂起.如果分配成功,则将请求队列的rl字段指向这个分配的request_list.
释放一个请求描述符,将会将其归还给指定的内存池.
request_list结构还有一个避免请求拥塞的作用:
每个请求队列都有一个允许处理请求的最大值(request_queue->nr_requests).如果队列中的请求超过了这个数值,则将队列置为QUEUE_FLAG_READFULL/QUEUE_FLAG_WRITEFULL.后续试图加入到队列的进程就会被放置到request_list结构所对应的等待队列中睡眠.如果一个队列中的睡眠进程过程也多也会影响系统的效率.如果待处理的请求大于request_queue-> nr_congestion_on就会认为这个队列是拥塞的.就会试图降低新请求的创建速度.如果待处理请求小于request_queue->nr_congestion_off.则会认为当前队列是不拥塞的.
get_request()的代码如下:
static struct request *get_request(request_queue_t *q, int rw, int gfp_mask)
{
     struct request *rq = NULL;
     struct request_list *rl = &q->rq;
     struct io_context *ioc = get_io_context(gfp_mask);
 
     spin_lock_irq(q->queue_lock);
     //如果请求数超过了请求队列允许的最大请求值(q->nr_requests)
     //就会将后续的请求进程投入睡眠
    
     if (rl->count[rw]+1 >= q->nr_requests) {
         /*
          * The queue will fill after this allocation, so set it as
          * full, and mark this process as "batching". This process
          * will be allowed to complete a batch of requests, others
          * will be blocked.
          */
          //判断是否将队列置为了QUEUE_FLAG_READFULL/QUEUE_FLAG_WRITEFULL
          //如果没有,则置此标志.并且设置当前进程为batching
         if (!blk_queue_full(q, rw)) {
              ioc_set_batching(ioc);
              blk_set_queue_full(q, rw);
         }
     }
 
     //如果队列满了,进程不为batching 且I/O调度程序不能忽略它
     //不能分配.直接返回
     if (blk_queue_full(q, rw)
              && !ioc_batching(ioc) && !elv_may_queue(q, rw)) {
         /*
          * The queue is full and the allocating process is not a
          * "batcher", and not exempted by the IO scheduler
          */
         spin_unlock_irq(q->queue_lock);
         goto out;
     }
 
     //要分配请求描述符了,递增计数
     rl->count[rw]++;
     //如果待请求数量超过了request_queue-> nr_congestion_on
     //则队列是阻塞的,设置阻塞标志
     if (rl->count[rw] >= queue_congestion_on_threshold(q))
         set_queue_congested(q, rw);
     spin_unlock_irq(q->queue_lock);
 
     //分配请求描述符
     rq = blk_alloc_request(q, gfp_mask);
     if (!rq) {
         /*
          * Allocation failed presumably due to memory. Undo anything
          * we might have messed up.
          *
          * Allocating task should really be put onto the front of the
          * wait queue, but this is pretty rare.
          */
         spin_lock_irq(q->queue_lock);
         //分配失败了,要减小分配描述的引用计数
         freed_request(q, rw);
         spin_unlock_irq(q->queue_lock);
         goto out;
     }
 
     if (ioc_batching(ioc))
         ioc->nr_batch_requests--;
 
     //初始化请求的各字段
     INIT_LIST_HEAD(&rq->queuelist);
 
     /*
      * first three bits are identical in rq->flags and bio->bi_rw,
      * see bio.h and blkdev.h
      */
     rq->flags = rw;
 
     rq->errors = 0;
     rq->rq_status = RQ_ACTIVE;
     rq->bio = rq->biotail = NULL;
     rq->buffer = NULL;
     rq->ref_count = 1;
     rq->q = q;
     rq->rl = rl;
     rq->waiting = NULL;
     rq->special = NULL;
     rq->data_len = 0;
     rq->data = NULL;
     rq->sense = NULL;
 
out:
     //减少ioc的引用计数
     put_io_context(ioc);
     return rq;
}
由于在分配之前递增了统计计数,所以在分配失败后,要把这个统计计数减下来,这是由freed_request()完成的.它的代码如下:
static void freed_request(request_queue_t *q, int rw)
{
     struct request_list *rl = &q->rq;
 
     rl->count[rw]--;
     //如果分配计数小于request_queue->nr_congestion_off.队列已经不拥塞了
     if (rl->count[rw] < queue_congestion_off_threshold(q))
         clear_queue_congested(q, rw);
     //如果计数小于允许的最大值.那可以分配请求了,将睡眠的进程唤醒
     if (rl->count[rw]+1 <= q->nr_requests) {
         //唤醒等待进程
         if (waitqueue_active(&rl->wait[rw]))
              wake_up(&rl->wait[rw]);
         //清除QUEUE_FLAG_READFULL/QUEUE_FLAG_WRITEFULL
         blk_clear_queue_full(q, rw);
     }
}
在这里我们可以看到,如果待处理请求小于请求队列所允许的最大值,就会将睡眠的进程唤醒.
如果请求描述符分配失败,会怎么样呢?我们接着看__make_request()中的代码:
         if ((freereq = get_request(q, rw, GFP_ATOMIC)) == NULL) {
              /*
               * READA bit set
               */
               //分配失败
               err = -EWOULDBLOCK;
              //如果此次操作是一次预读,且不阻塞
              if (bio_rw_ahead(bio))
                   goto end_io;
              //挂起进程
              freereq = get_request_wait(q, rw);
         }
如果分配失败,会调用get_request_wait()将进程挂起.它的代码如下:
static struct request *get_request_wait(request_queue_t *q, int rw)
{
     //初始化一个等待队列
     DEFINE_WAIT(wait);
     struct request *rq;
     struct io_context *ioc;
 
     //撤消块设备驱动.这里会直接调用块设备驱动的策略例程
     generic_unplug_device(q);
     ioc = get_io_context(GFP_NOIO);
     do {
         struct request_list *rl = &q->rq;
 
         //将当前进程加入等待队列.并设置进程状态为TASK_UNINTERRUPTIBLE
         prepare_to_wait_exclusive(&rl->wait[rw], &wait,
                   TASK_UNINTERRUPTIBLE);
         //再次获得等待队列
         rq = get_request(q, rw, GFP_NOIO);
 
         if (!rq) {
             
              //如果还是失败了,睡眠
              io_schedule();
 
              /*
               * After sleeping, we become a "batching" process and
               * will be able to allocate at least one request, and
               * up to a big batch of them for a small period time.
               * See ioc_batching, ioc_set_batching
               */
               //这里是被唤醒之后运行
              ioc_set_batching(ioc);
         }
         //将进程从等待队列中删除
         finish_wait(&rl->wait[rw], &wait);
     } while (!rq);
     put_io_context(ioc);
 
     return rq;
}
这段代码比较简单,相似的代码我们在之前已经分析过很多次了.这里不做重点分析.
 
此外.在__make_request()中还需要注意一件事情.在bio中的内存可能是高端内存的.但是内核不能直接访问,这里就必须要对处理高端内存的bio_vec做下处理.即将它临时映射之后copy到普通内存区.这就是所谓的弹性回环缓存.相关的操作是在blk_queue_bounce()中完成的.这个函数比较简单,可以自行分析.
到这里,通用块层的处理分析就结束了.我们继续分析其它的层次.
 
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