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[046]块设备驱动初探

王小二

发布于 2020-06-08 04:09:50

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前言

研究IO也很久了，一直无法串联bio和块设备驱动，只知道bio经过IO调度算法传递到块设备驱动，怎么过去的，IO调度算法在哪里发挥作用，一直没有完全搞明白，查看了很多资料，终于对块设备驱动有所理解，也打通了bio到块设备。

一、传统块设备

我们先来实现一个基于内存的传统块设备驱动。

1.1 初始化一些东西

//暂时使用COMPAQ_SMART2_MAJOR作为主设备号，防止设备号冲突
#define SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR   COMPAQ_SMART2_MAJOR
//块设备名
#define SIMP_BLKDEV_DISKNAME "simp_blkdev"

//用一个数组来模拟一个物理存储
#define SIMP_BLKDEV_BYTES (16*1024*1024)
unsigned char simp_blkdev_data[SIMP_BLKDEV_BYTES];

static struct request_queue *simp_blkdev_queue;//请求队列
static struct gendisk *simp_blkdev_disk;//块设备

struct block_device_operations simp_blkdev_fops = {//块设备的操作函数
    .owner = THIS_MODULE, 
};

1.2 加载驱动

整个过程 1.创建request_queue（每个块设备一个队列），绑定函数simp_blkdev_do_request 2.创建一个gendisk（每个块设备就是一个gendisk） 3.将request_queue和gendisk绑定 4.注册gendisk

static int __init simp_blkdev_init(void)
{
    int ret;
    //初始化请求队列
    simp_blkdev_queue = blk_init_queue(simp_blkdev_do_request, NULL);//这个方法将会在1.5仔细分析
    simp_blkdev_disk = alloc_disk(1);//申请simp_blkdev_disk
  
    //初始化simp_blkdev_disk
    strcpy(simp_blkdev_disk->disk_name, SIMP_BLKDEV_DISKNAME);//设备名
    simp_blkdev_disk->major = SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR;//主设备号
    simp_blkdev_disk->first_minor = 0;//副设备号
    simp_blkdev_disk->fops = &simp_blkdev_fops;//块设备操作函数指针
    simp_blkdev_disk->queue = simp_blkdev_queue; 
    //设置块设备的大小，大小是扇区的数量，一个扇区是512B
    set_capacity(simp_blkdev_disk, SIMP_BLKDEV_BYTES>>9);
    add_disk(simp_blkdev_disk);//注册simp_blkdev_disk
    return 0;
}

1.3 simp_blkdev_do_request

1.调用调度算法的elv_next_request方法获得下一个处理的request 2.如果是读，将simp_blkdev_data拷贝到request.buffer， 3.如果是写，将request.buffer拷贝到simp_blkdev_data 4.调用end_request通知完成

static void simp_blkdev_do_request(struct request_queue *q) 
{
    struct request *req;
    while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) {//根据调度算法获得下一个request
        switch (rq_data_dir(req)) {//判断读还是写
        case READ:
            memcpy(req->buffer, simp_blkdev_data + (req->sector << 9), 
            req->current_nr_sectors << 9);
            end_request(req, 1);//完成通知
            break;
        case WRITE:
            memcpy(simp_blkdev_data + (req->sector << 9),req->buffer, 
            req->current_nr_sectors << 9); 
            end_request(req, 1);//完成通知
            break;
        default:
             /* No default because rq_data_dir(req) is 1 bit */
             break;
        }
}

1.4 卸载驱动

static void __exit simp_blkdev_exit(void)
{
    del_gendisk(simp_blkdev_disk);//注销simp_blkdev_disk
    put_disk(simp_blkdev_disk);//释放simp_blkdev_disk
    blk_cleanup_queue(simp_blkdev_queue);//释放请求队列
}

千万别忘记下面代码

module_init(simp_blkdev_init); 
module_exit(simp_blkdev_exit);

1.5 blk_init_queue

看了上面的代码，可能还是无法清晰的了解request_queue如何串联bio和块设备驱动，我们深入看一下

simp_blkdev_queue = blk_init_queue(simp_blkdev_do_request, NULL);//调用blk_init_queue

struct request_queue *blk_init_queue(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock)
{
    return blk_init_queue_node(rfn, lock, NUMA_NO_NODE);//跳转1.5.1
}
EXPORT_SYMBOL(blk_init_queue);

//1.5.1
struct request_queue *
blk_init_queue_node(request_fn_proc *rfn, spinlock_t *lock, int node_id)
{
    struct request_queue *q;
    q = blk_alloc_queue_node(GFP_KERNEL, node_id, lock);
    if (!q)
        return NULL;

    q->request_fn = rfn;//也就是simp_blkdev_do_request
    if (blk_init_allocated_queue(q) < 0) {//转1.5.2
        blk_cleanup_queue(q);
        return NULL;
    }
    return q;
}
EXPORT_SYMBOL(blk_init_queue_node);

//1.5.2
int blk_init_allocated_queue(struct request_queue *q)
{
    ...
    blk_queue_make_request(q, blk_queue_bio);//转1.5.3
    if (elevator_init(q))//初始化IO调度算法
        goto out_exit_flush_rq;
    return 0;
    ...
}
EXPORT_SYMBOL(blk_init_allocated_queue);

//1.5.3
void blk_queue_make_request(struct request_queue *q, make_request_fn *mfn)
{
    ...
    q->make_request_fn = mfn;//mfn也就是blk_queue_bio
    ...
}
EXPORT_SYMBOL(blk_queue_make_request);

static blk_qc_t blk_queue_bio(struct request_queue *q, struct bio *bio)//完成bio如何插入到request_queue
{
    //IO调度算法发挥作用的地方
}

整个调用完成之后，会绑定当前块设备的request_queue两个重要方法

q->make_request_fn = blk_queue_bio;//linux默认实现
q->request_fn = simp_blkdev_do_request;//驱动自己实现

1.5.1 make_request_fn(struct request_queue q, struct bio bio)

submit_bio会调用make_request_fn将bio封装成request插入到request_queue，默认会使用linux系统实现的blk_queue_bio。如果我们替换make_request_fn，会导致IO调度算法失效，一般不会去改。

1.5.2 request_fn(struct request_queue *q)

这个方法一般是驱动实现，也就是simp_blkdev_do_request，从request_queue中取出合适的request进行处理，一般会调用调度算法的elv_next_request方法，获得一个推荐的request。

1.5.3 bio-块设备

通过make_request_fn和request_fn，我们将bio和块设备驱动串联起来了。而且IO调度算法会在这两个函数发挥作用。

给自己挖了两个坑 1.整个过程中受到了IO调度算法，IO调度算法如何发挥作用？ 2.make_request_fn之后如何触发request_fn？

二、超高速块设备

传统块设备访问是通过磁头，IO调度算法可以优化多个IO请求的时候移动磁头的顺序。

IO调度算法

假如你是图书管理员，十个人找你借十本书，在图书馆的不同角落，你肯定会选择一条最短的线路去拿这十本书。其实这就是IO调度算法

超高速块设备

假如这个图书馆只有一个窗口，借书的人只要说出书名，书就会从窗口飞出来，这样子还需要什么管理员，更不需要什么IO调度算法，这个图书馆就是超高速块设备。

上面写的基于内存的块设备不就是一个超高速块设备嘛，我们能不能写一个没有中间商的驱动

2.1 simp_blkdev_init

我们需要重写一下init代码，不调用blk_init_queue。直接用下面的2.1.1和2.1.2的方法。 init之后，我们会将make_request_fn设置成simp_blkdev_make_request

static int __init simp_blkdev_init(void)
{
    int ret;
    //初始化请求队列
    simp_blkdev_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);//2.1.1
    //将simp_blkdev_make_request绑定到request_queue的make_request_fn。
    blk_queue_make_request(simp_blkdev_queue, simp_blkdev_make_request);//2.1.2
    simp_blkdev_disk = alloc_disk(1);//申请simp_blkdev_disk

    //初始化simp_blkdev_disk
    strcpy(simp_blkdev_disk->disk_name, SIMP_BLKDEV_DISKNAME);//设备名
    simp_blkdev_disk->major = SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR;//设备号
    simp_blkdev_disk->first_minor = 0;
    simp_blkdev_disk->fops = &simp_blkdev_fops;//块设备操作函数指针
    simp_blkdev_disk->queue = simp_blkdev_queue; 
    set_capacity(simp_blkdev_disk, SIMP_BLKDEV_BYTES>>9);//设置块设备的大小，大小是扇区的数量，一个扇区是512B
    add_disk(simp_blkdev_disk);//注册simp_blkdev_disk
    return 0;

err_alloc_disk:
    blk_cleanup_queue(simp_blkdev_queue);
err_alloc_queue:
    return ret;
}

2.2 simp_blkdev_make_request

跳过中间商，直接将simp_blkdev_data拷贝到bio的page，调用bio_endio通知读写完成， 从头到尾request_queue和request就没有用到

static int simp_blkdev_make_request(struct request_queue *q, struct bio *bio) {
    struct bio_vec *bvec;
    int i;
    void *dsk_mem;
    //获得块设备内存的起始地址，bi_sector代表起始扇区
    dsk_mem = simp_blkdev_data + (bio->bi_sector << 9);
    bio_for_each_segment(bvec, bio, i) {//遍历每一个块
        void *iovec_mem;
        switch (bio_rw(bio)) {
            case READ:
            case READA:
                //page代表高端内存无法直接访问，需要通过kmap映射到线性地址
                iovec_mem = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;//页数加偏移量获得对应的内存地址
                memcpy(iovec_mem, dsk_mem, bvec->bv_len);//将数据拷贝到内存中
                kunmap(bvec->bv_page);//归还线性地址
                break;
            case WRITE:
                iovec_mem = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset; 
                memcpy(dsk_mem, iovec_mem, bvec->bv_len); 
                kunmap(bvec->bv_page);
                break;
            default:
                printk(KERN_ERR SIMP_BLKDEV_DISKNAME": unknown value of bio_rw: %lu\n", bio_rw(bio));
#if LINUX_VERSION_CODE < KERNEL_VERSION(2, 6, 24) 
                bio_endio(bio, 0, -EIO);//报错
#else
                bio_endio(bio, -EIO);//报错
#endif
                return 0;
        }
        dsk_mem += bvec->bv_len;//移动地址
    }

#if LINUX_VERSION_CODE < KERNEL_VERSION(2, 6, 24) 
                bio_endio(bio, bio->bi_size, 0);
#else
                bio_endio(bio, 0);
#endif
                return 0;
}

2.2 没有中间商

因为我们直接把数据的访问实现在make_request_fn，也就是simp_blkdev_make_request。这样子就摆脱了request_queue和IO调度算法。没有中间商，访问速度杠杠的。

kernel中的zram设备就是基于内存没有中间商赚差价的块设备，代码很类似，有兴趣的可以看一下。

三、总结

经过那么长时间的学习，捅破层层的窗户纸，终于把IO打通了，但是文件系统，IO调度算法，每一模块都是值得我深入仔细研究，真正的挑战才刚刚开始。

代码参考

写一个块设备驱动.pdf

资料参考

《Linux内核设计与实现》《Linux内核完全注释》 Linux.Generic.Block.Layer.pdf https://zhuanlan.zhihu.com/c_132560778

四、完整代码

没有在内核中编译过，运行过

4.1 传统块设备

#define SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR   COMPAQ_SMART2_MAJOR//暂时使用COMPAQ_SMART2_MAJOR作为主设备号
#define SIMP_BLKDEV_DISKNAME "simp_blkdev"
#define SIMP_BLKDEV_BYTES (16*1024*1024)

unsigned char simp_blkdev_data[SIMP_BLKDEV_BYTES];

static struct request_queue *simp_blkdev_queue;//请求队列
static struct gendisk *simp_blkdev_disk;

struct block_device_operations simp_blkdev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE, 
};

static int __init simp_blkdev_init(void)
{
    int ret;
    elevator_t *old_e;
    //初始化请求队列
    simp_blkdev_queue = blk_init_queue(simp_blkdev_do_request, NULL);
    if (!simp_blkdev_queue) {
       ret = -ENOMEM;
       goto err_init_queue;
    } 
    old_e = simp_blkdev_queue->elevator;//检查默认的调度器
    if (IS_ERR_VALUE(elevator_init(simp_blkdev_queue, "noop")))//检查切换调度器"noop"是否成功
        printk(KERN_WARNING "Switch elevator failed, using default\n"); 
    else
        elevator_exit(old_e);//释放老的调度器
    simp_blkdev_disk = alloc_disk(1);//申请simp_blkdev_disk
    if (!simp_blkdev_disk) {
        ret = -ENOMEM;
        goto err_alloc_disk;
    }
    //初始化simp_blkdev_disk
    strcpy(simp_blkdev_disk->disk_name, SIMP_BLKDEV_DISKNAME);//设备名
    simp_blkdev_disk->major = SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR;//设备号
    simp_blkdev_disk->first_minor = 0;
    simp_blkdev_disk->fops = &simp_blkdev_fops;//块设备操作函数指针
    simp_blkdev_disk->queue = simp_blkdev_queue; 
    set_capacity(simp_blkdev_disk, SIMP_BLKDEV_BYTES>>9);//设置块设备的大小，大小是扇区的数量，一个扇区是512B
    add_disk(simp_blkdev_disk);//注册simp_blkdev_disk
    return 0;

err_alloc_disk:
    blk_cleanup_queue(simp_blkdev_queue);
err_init_queue:
    return ret;
}


static void __exit simp_blkdev_exit(void)
{
    del_gendisk(simp_blkdev_disk);//注销simp_blkdev_disk
    put_disk(simp_blkdev_disk);//释放simp_blkdev_disk
    blk_cleanup_queue(simp_blkdev_queue);//释放请求队列
}

//负责处理块设备的请求
static void simp_blkdev_do_request(struct request_queue *q) 
{
    struct request *req;
    while ((req = elv_next_request(q)) != NULL) {//根据调度算法获得下一个request
        //sector有点类似于起始地址，有点类似于请求的块数
        if ((req->sector + req->current_nr_sectors) << 9 > SIMP_BLKDEV_BYTES) {
            printk(KERN_ERR SIcurrent_nr_sectorsMP_BLKDEV_DISKNAME": bad request: block=%llu, count=%u\n", (unsigned long long)req->sector, req->current_nr_sectors);
            end_request(req, 0);
            continue; 
        }
        switch (rq_data_dir(req)) {//判断读还是写
        case READ:
            memcpy(req->buffer, simp_blkdev_data + (req->sector << 9), 
            req->current_nr_sectors << 9);
            end_request(req, 1);//结束请求
            break;
        case WRITE:
            memcpy(simp_blkdev_data + (req->sector << 9),req->buffer, 
            req->current_nr_sectors << 9); 
            end_request(req, 1);//结束请求
            break;
        default:
             /* No default because rq_data_dir(req) is 1 bit */
             break;
        }
}

module_init(simp_blkdev_init); 
module_exit(simp_blkdev_exit);

4.2 超高速块设备

#define SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR   COMPAQ_SMART2_MAJOR//暂时使用COMPAQ_SMART2_MAJOR作为主设备号
#define SIMP_BLKDEV_DISKNAME "simp_blkdev"
#define SIMP_BLKDEV_BYTES (16*1024*1024)

unsigned char simp_blkdev_data[SIMP_BLKDEV_BYTES];

static struct request_queue *simp_blkdev_queue;//请求队列
static struct gendisk *simp_blkdev_disk;

struct block_device_operations simp_blkdev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE, 
};

static int __init simp_blkdev_init(void)
{
    int ret;
    //初始化请求队列
    simp_blkdev_queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
    if (!simp_blkdev_queue) {
       ret = -ENOMEM;
       goto err_alloc_queue;
    }
    //这样子搞可以完全拜托调度器
    blk_queue_make_request(simp_blkdev_queue, simp_blkdev_make_request);
    simp_blkdev_disk = alloc_disk(1);//申请simp_blkdev_disk
    if (!simp_blkdev_disk) {
        ret = -ENOMEM;
        goto err_alloc_disk;
    }
    //初始化simp_blkdev_disk
    strcpy(simp_blkdev_disk->disk_name, SIMP_BLKDEV_DISKNAME);//设备名
    simp_blkdev_disk->major = SIMP_BLKDEV_DEVICEMAJOR;//设备号
    simp_blkdev_disk->first_minor = 0;
    simp_blkdev_disk->fops = &simp_blkdev_fops;//块设备操作函数指针
    simp_blkdev_disk->queue = simp_blkdev_queue; 
    set_capacity(simp_blkdev_disk, SIMP_BLKDEV_BYTES>>9);//设置块设备的大小，大小是扇区的数量，一个扇区是512B
    add_disk(simp_blkdev_disk);//注册simp_blkdev_disk
    return 0;

err_alloc_disk:
    blk_cleanup_queue(simp_blkdev_queue);
err_alloc_queue:
    return ret;
}


static void __exit simp_blkdev_exit(void)
{
    del_gendisk(simp_blkdev_disk);//注销simp_blkdev_disk
    put_disk(simp_blkdev_disk);//释放simp_blkdev_disk
    blk_cleanup_queue(simp_blkdev_queue);//释放请求队列
}

//将bio放到request_queue中
static int simp_blkdev_make_request(struct request_queue *q, struct bio *bio) {
    struct bio_vec *bvec;
    int i;
    void *dsk_mem;
    if ((bio->bi_sector << 9) + bio->bi_size > SIMP_BLKDEV_BYTES) {//如果访问的空间
        printk(KERN_ERR SIMP_BLKDEV_DISKNAME ": bad request: block=%llu, count=%u\n",
            (unsigned long long)bio->bi_sector, bio->bi_size);
#if LINUX_VERSION_CODE < KERNEL_VERSION(2, 6, 24) 
        bio_endio(bio, 0, -EIO);
#else
        bio_endio(bio, -EIO);
#endif
        return 0;
    }
    //获得块设备内存的起始地址，bi_sector代表起始扇区
    dsk_mem = simp_blkdev_data + (bio->bi_sector << 9);
    bio_for_each_segment(bvec, bio, i) {//遍历每一个块
        void *iovec_mem;
        switch (bio_rw(bio)) {
            case READ:
            case READA:
                //page代表高端内存无法直接访问，需要通过kmap映射到线性地址
                iovec_mem = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset;//页数加偏移量获得对应的内存地址
                memcpy(iovec_mem, dsk_mem, bvec->bv_len);//将数据拷贝到内存中
                kunmap(bvec->bv_page);//归还线性地址
                break;
            case WRITE:
                iovec_mem = kmap(bvec->bv_page) + bvec->bv_offset; 
                memcpy(dsk_mem, iovec_mem, bvec->bv_len); 
                kunmap(bvec->bv_page);
                break;
            default:
                printk(KERN_ERR SIMP_BLKDEV_DISKNAME": unknown value of bio_rw: %lu\n", bio_rw(bio));
#if LINUX_VERSION_CODE < KERNEL_VERSION(2, 6, 24) 
                bio_endio(bio, 0, -EIO);//报错
#else
                bio_endio(bio, -EIO);//报错
#endif
                return 0;
        }
        dsk_mem += bvec->bv_len;//移动地址
    }

#if LINUX_VERSION_CODE < KERNEL_VERSION(2, 6, 24) 
                bio_endio(bio, bio->bi_size, 0);
#else
                bio_endio(bio, 0);
#endif
                return 0;
}

module_init(simp_blkdev_init); 
module_exit(simp_blkdev_exit);