向通用块层提交IO请求

1、分配bio结构
    当向通用块层提交一个IO操作请求的时候，假设被请求的数据块在磁盘上是相邻的，并且内核要已经知道了他们的物理位置。那么首先第一步就是执行bio_alloc（）函数分配 一个新的bio描述符，然后内核通过设置一些字段的值来初始化bio描述符。该函数主要做的工作如下：
.将bi_sector字段设置为数据的起始扇区号（如果块设备被分成了几个分区，那么扇区号是相对于分区的起始位置）。
.将bi_size字段设置为涵盖整个数据的扇区数目。
.将bi_bdev设置为块设备描述符的地址（这个是block_device的对象，代表的是一个分区或者是主设备）。
.将bi_io_vec设为bio_vec结构数组的其实地址，数组中的每个元素描述了io操作中的一个段（内存缓存），此外，将bi_vcnt设置为bio中总的段数。
.将bi_rw字段设置为被请求的操作的标志。
.将bi_end_io字段设置成为当bio上的IO操作完成时所执行的完成程序的地址。

以上就是初始化bio结构的主要部分。一旦对一个IO请求所对应的bio结构初始化完成之后，接下来就是提交bio结构了。
2、提交bio结构
   递交一个bio的主要工作是从generic_make_request()函数开始的，我们以此为入口来分析一个bio的递交过程。在每个进程的task_struct中，都包含有两个变量----struct bio *bio_list, **bio_tail，generic_make_request()的主要工作就是用这两个变量来维护当前待添加的bio链表，实际的提交操作会由generic_make_request()调用__generic_make_request()函数完成。而在__generic_make_request()中，会调用到request_queue中定义的make_request_fn函数，也就是特定于设备的提交请求函数来完成后续的工作。在这里便会有一些问题，大部分设备的make_request_fn都可以直接定义为内核实现的__make_request函数，而一些设备需要使用自己的make_request_fn，而自行实现的make_request_fn有可能会递归调用gerneric_make_request(),由于内核的堆栈十分有限，因此在generic_make_request()的实现中，玩了一些小把戏，使得递归的深度不会超过一层。我们注意到bio_tail是一个二级指针，这个值最初是NULL，当有bio添加进来，bio_tail将会指向bio->bi_next(如果bio全都递交上去了，则bio_tail将会指向bio_list)，也就是说除了第一次调用外，其他每次递归调用generic_make_request()函数都会出现bio_tail不为NULL的情形，因此当bio_tail不为NULL时，则只将bio添加到由bio_list和bio_tail维护的链表中，然后直接返回，而不调用__generic_make_request()，这样便防止了多重递归的产生。
下面来看generic_make_request（）函数的源码实现：

void generic_make_request(struct bio *bio)
{
    if (current->bio_tail) {//current->bio_tail不为空则表明有bio正在提交,也就是说是处于递归调用
        /* make_request is active */
        bio->bi_next = NULL;
        /*这里current->tail有两种情况，当current的bio链表为空时，bio_tail指向的是bio_list
        当current的bio链表不为空时，bio_tail指向的是最后一个bio的bi_next指针，因此
        这句的实际作用就是将bio添加到了current的bio链表的尾部*/
        *(current->bio_tail) = bio;
        current->bio_tail = &bio->bi_next;
        /*这里直接返回，遍历并且提交bio的工作永远都是交给最先调用的generic_make_request来处理的，避免了多重递归*/
        return;
    }
    /* following loop may be a bit non-obvious, and so deserves some
     * explanation.
     * Before entering the loop, bio->bi_next is NULL (as all callers
     * ensure that) so we have a list with a single bio.
     * We pretend that we have just taken it off a longer list, so
     * we assign bio_list to the next (which is NULL) and bio_tail
     * to &bio_list, thus initialising the bio_list of new bios to be
     * added. __generic_make_request may indeed add some more bios
     * through a recursive call to generic_make_request. If it
     * did, we find a non-NULL value in bio_list and re-enter the loop
     * from the top. In this case we really did just take the bio
     * of the top of the list (no pretending) and so fixup bio_list and
     * bio_tail or bi_next, and call into __generic_make_request again.
     *
     * The loop was structured like this to make only one call to
     * __generic_make_request (which is important as it is large and
     * inlined) and to keep the structure simple.
     */
    BUG_ON(bio->bi_next);
    do {
        current->bio_list = bio->bi_next;//这里取current的待提交bio链表的下一个bio
        if (bio->bi_next == NULL)//bi_next为空，也就是说待提交链表已经空了，只剩下最后一个bio了
            current->bio_tail = ¤t->bio_list;//bio_tail指向bio_list
        else
            bio->bi_next = NULL;//否则将bio提取出来
        __generic_make_request(bio);//提交bio
        bio = current->bio_list;//取新的待提交bio
    } while (bio);
    current->bio_tail = NULL; /* deactivate */
}

上面的do。。。。while循环中做的工作就是从bio开始沿着bio->bi_next这个链不断地一次取一个bio来进行提交，具体真正完成提交工作是由函数__generic_make_request()来完成的。__generic_make_request()首先由bio对应的block_device获取等待队列q（获取q的过程主要是bio->bi_bdev->bd_disk->queue来进行获取请求队列q的），然后要检查对应的设备是不是分区，如果是分区的话要将扇区地址进行重新计算，最后调用make_request_fn完成bio的递交。其中__generic_make_request（）函数的代码如下：

static inline void __generic_make_request(struct bio *bio)
{
    struct request_queue *q;
    sector_t old_sector;
    int ret, nr_sectors = bio_sectors(bio);//提取bio的大小，以扇区为单位 ，细节为：bio->bi_size>>9(即相当于bio->bi_size/512)
    dev_t old_dev;
    int err = -EIO;

    might_sleep();

    //这里检查bio的传输起始扇区是否超过设备的最大扇区，并且两者之间的差不能小于nr_sector
    if (bio_check_eod(bio, nr_sectors)) //其中设备的最大扇区数通过：bio->bi_bdev->bd_inode->i_size>>9来计算的
        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.
     */
    old_sector = -1;
    old_dev = 0;
    do {
        char b[BDEVNAME_SIZE];

        q = bdev_get_queue(bio->bi_bdev);//获取对应设备的请求队列 ，通过：bio->bi_bdev->bd_disk->queue来获取gendisk中的请求队列q
        if (unlikely(!q)) {
            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);
            goto end_io;
        }

        /*下面做一些必要的检查*/
        if (unlikely(!bio_rw_flagged(bio, BIO_RW_DISCARD) &&
                 nr_sectors > queue_max_hw_sectors(q))) {
            printk(KERN_ERR "bio too big device %s (%u > %u)\n",
                   bdevname(bio->bi_bdev, b),
                   bio_sectors(bio),
                   queue_max_hw_sectors(q));
            goto end_io;
        }

        if (unlikely(test_bit(QUEUE_FLAG_DEAD, &q->queue_flags)))
            goto end_io;

        if (should_fail_request(bio))
            goto end_io;

        /*
         * If this device has partitions, remap block n
         * of partition p to block n+start(p) of the disk.
         */
         //如果bio指定的是一个分区，则传输点要重新进行计算 。判断是不是分区的方法是看：bio->bi_bdev->bd_contains字段是不是指向的设备本身的block_device对象。如果指向的自身的block_device表示不是分区，否则表示的是分区。
        blk_partition_remap(bio); //该函数比较重要，在下面的会进一步介绍，主要功能是如果是分区需要把bio的扇区换成相对于主设备的绝对扇区号，同时把bio的设备改成相应的主设备

        if (bio_integrity_enabled(bio) && bio_integrity_prep(bio))
            goto end_io;

        if (old_sector != -1)
            trace_block_remap(q, bio, old_dev, old_sector);

        old_sector = bio->bi_sector;
        old_dev = bio->bi_bdev->bd_dev;

        if (bio_check_eod(bio, nr_sectors))
            goto end_io;

        if (bio_rw_flagged(bio, BIO_RW_DISCARD) &&
            !blk_queue_discard(q)) {
            err = -EOPNOTSUPP;
            goto end_io;
        }

        trace_block_bio_queue(q, bio);

        ret = q->make_request_fn(q, bio);//这里是关键，调用请求队列q中的make_request_fn函数处理请求
    } while (ret);

    return;

end_io:
    bio_endio(bio, err);
}

辅助函数blk_partition_remap()：

static inline void blk_partition_remap(struct bio *bio)
{
    struct block_device *bdev = bio->bi_bdev; //通过bio获取该bio所在的block_device对象

    /*首先要保证传输的大小不能小于1个扇区并且bdev确实是分区*/
    if (bio_sectors(bio) && bdev != bdev->bd_contains) { //判断是不是分区
        struct hd_struct *p = bdev->bd_part;//获取该分区的分区信息

        bio->bi_sector += p->start_sect;//在传输起点的原基础上加上分区的起始扇区号 ，换成相对于主设备的绝对扇区号
        bio->bi_bdev = bdev->bd_contains;//将bio的bdev置为主设备 ，把bio的bi_dbev指向主设备

        trace_block_remap(bdev_get_queue(bio->bi_bdev), bio,
                    bdev->bd_dev,
                    bio->bi_sector - p->start_sect);
    }
}

可以看到这里将bio的参考对象设置为了主设备，而不是分区，因此对应的扇区起始号也要计算为扇区的绝对值。


大多数的make_request_fn函数都可以直接定义为__make_request(),我们通过这个函数来分析递交bio的关键操作：(该函数是IO调度层的入口函数，做的主要工作就是尝试着将通用块层传下来的bio合并到相应的request中，要么插在某个request的尾部、要么插在某个request的头部，如果不能和任何request进行合并的话，就申请一个新的request，然后通过bio来初始化该request，最后把request插入到request_queue中。)

static int __make_request(struct request_queue *q, struct bio *bio)
{
    struct request *req;
    int el_ret;
    unsigned int bytes = bio->bi_size;//要传输的大小，以字节为单位的
    const unsigned short prio = bio_prio(bio);
    const bool sync = bio_rw_flagged(bio, BIO_RW_SYNCIO);
    const bool unplug = bio_rw_flagged(bio, BIO_RW_UNPLUG);
    const unsigned int ff = bio->bi_rw & REQ_FAILFAST_MASK;
    int rw_flags;

    /*如果BIO_RW_BARRIER被置位(表示必须得让请求队列中的所有bio传递完毕才处理自己)，
      但是不支持hardbarrier，不能进行bio的提交*/
    if (bio_rw_flagged(bio, BIO_RW_BARRIER) &&
        (q->next_ordered == QUEUE_ORDERED_NONE)) {
        bio_endio(bio, -EOPNOTSUPP);
        return 0;
    }
    /*
     * 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)
     */
    blk_queue_bounce(q, &bio);

    spin_lock_irq(q->queue_lock);

    //如果BIO_RW_BARRIER被置位或者请求队列为空，则情况比较简单，不用进行bio的合并，跳转到get_rq处处理
    if (unlikely(bio_rw_flagged(bio, BIO_RW_BARRIER)) || elv_queue_empty(q))
        goto get_rq;

    /**请求队列不为空**/

    /*elv_merge()试图寻找一个已存在的request,将bio并入其中*/
    el_ret = elv_merge(q, &req, bio);

    switch (el_ret) {
    case ELEVATOR_BACK_MERGE:
        BUG_ON(!rq_mergeable(req));

        /*相关检查*/
        if (!ll_back_merge_fn(q, req, bio))
            break;

        trace_block_bio_backmerge(q, bio);

        if ((req->cmd_flags & REQ_FAILFAST_MASK) != ff)
            blk_rq_set_mixed_merge(req);

        /*这里将bio插入到request尾部*/
        req->biotail->bi_next = bio;
        req->biotail = bio;
        req->__data_len += bytes;
        req->ioprio = ioprio_best(req->ioprio, prio);
        if (!blk_rq_cpu_valid(req))
            req->cpu = bio->bi_comp_cpu;
        drive_stat_acct(req, 0);
        if (!attempt_back_merge(q, req))
            elv_merged_request(q, req, el_ret);
        goto out;

    case ELEVATOR_FRONT_MERGE:
        BUG_ON(!rq_mergeable(req));

        if (!ll_front_merge_fn(q, req, bio))
            break;

        trace_block_bio_frontmerge(q, bio);

        if ((req->cmd_flags & REQ_FAILFAST_MASK) != ff) {
            blk_rq_set_mixed_merge(req);
            req->cmd_flags &= ~REQ_FAILFAST_MASK;
            req->cmd_flags |= ff;
        }

        /*这里将bio插入到request的头部*/
        bio->bi_next = req->bio;
        req->bio = 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->__sector = bio->bi_sector;
        req->__data_len += bytes;
        req->ioprio = ioprio_best(req->ioprio, prio);
        if (!blk_rq_cpu_valid(req))
            req->cpu = bio->bi_comp_cpu;
        drive_stat_acct(req, 0);
        if (!attempt_front_merge(q, req))
            elv_merged_request(q, req, el_ret);
        goto out;

    /* ELV_NO_MERGE: elevator says don't/can't merge. */
    default:
        ;
    }

get_rq:/**下面的代码对应请求队列为空的情况，需要先分配一个request,再将bio插入***/
    /*
     * This sync check and mask will be re-done in init_request_from_bio(),
     * but we need to set it earlier to expose the sync flag to the
     * rq allocator and io schedulers.
     */
    rw_flags = bio_data_dir(bio);//确定读写标识
    if (sync)
        rw_flags |= REQ_RW_SYNC;

    /*
     * Grab a free request. This is might sleep but can not fail.
     * Returns with the queue unlocked.
     */
    req = get_request_wait(q, rw_flags, bio);//分配一个新的request

    /*
     * After dropping the lock and possibly sleeping here, our request
     * may now be mergeable after it had proven unmergeable (above).
     * We don't worry about that case for efficiency. It won't happen
     * often, and the elevators are able to handle it.
     */
     //根据bio初始化新分配的request，并将bio插入到request中
    init_request_from_bio(req, bio);

    spin_lock_irq(q->queue_lock);
    if (test_bit(QUEUE_FLAG_SAME_COMP, &q->queue_flags) ||
        bio_flagged(bio, BIO_CPU_AFFINE))
        req->cpu = blk_cpu_to_group(smp_processor_id());
    if (queue_should_plug(q) && elv_queue_empty(q))
        blk_plug_device(q);
    add_request(q, req);//将request插入到请求队列
out:
    if (unplug || !queue_should_plug(q))
        __generic_unplug_device(q);
    spin_unlock_irq(q->queue_lock);
    return 0;
}

elv_merge()是执行合并的关键所在，执行完后会有三种情况：
1.bio添加到了一个request的bio链表尾部
2.bio添加到了一个request的bio链表首部
3.未能找到一个request可以添加，将重新分配一个request

int elv_merge(struct request_queue *q, struct request **req, struct bio *bio)
{
    struct elevator_queue *e = q->elevator;
    struct request *__rq;
    int ret;

    /*
     * First try one-hit cache.
     */
    //last_merge指向了最近进行合并操作的request,最先试图将bio合并到该request中
    if (q->last_merge) {
        ret = elv_try_merge(q->last_merge, bio);
        if (ret != ELEVATOR_NO_MERGE) {
            *req = q->last_merge;
            return ret;
        }
    }

    if (blk_queue_nomerges(q))//请求队列不允许合并请求，则返回NO_MERGE
        return ELEVATOR_NO_MERGE;

    /*
     * See if our hash lookup can find a potential backmerge.
     */
     //根据bio的起始扇区号，通过rq的哈希表寻找一个request,可以将bio合并到request的尾部
    __rq = elv_rqhash_find(q, bio->bi_sector);
    if (__rq && elv_rq_merge_ok(__rq, bio)) {
        *req = __rq;
        return ELEVATOR_BACK_MERGE;
    }

    /*如果以上的方法不成功，则调用特定于io调度器的elevator_merge_fn函数寻找一个合适的request*/
    if (e->ops->elevator_merge_fn)
        return e->ops->elevator_merge_fn(q, req, bio);

    return ELEVATOR_NO_MERGE;
}

在下面在详细的了解有关__make_request（）函数的细节。

3、总结
    提交IO请求过程中函数调用的过程；首先generic_make_request（）函数，该函数主要的工作就是不断的取出bio结构，然后每取出一个bio结构就调用__generic_make_request（）函数来对bio进行相应的处理，比如根据bio结构获取相应的请求队列q，再如如果bio对应的block_device对象是一个分区的，则改变bio的扇区号为与主设备对应的绝对扇区号。然后__generic_make_request（）函数调用q->make_request_fn(q, bio)函数来真正的对bio进行处理。而q->make_request_fn()函数主要是通过__make_request()函数来实现的。具体层次为：

   generic_make_request（）------>____generic_make_request（）------->q->make_request_fn（）---------->__make_request（）函数。