前言

Block Layer層在整個I/O中負責承上啟下，上接文件系統，下接塊驅動。
我不想直接討論代碼，希望從一個架構的演變來初探一下Block Layer層。

一、1.0版本

首先我們來了解幾個重要的數據結構

1.1 bio

bio代表了一次I/0請求，代表一個塊設備的一個扇區或者多個連續扇區的數據請求，扇區是塊設備的最小訪問單元，bio是文件系統發給Block Layer層的。

1.2 request

request代表塊設備可以處理的一次任務單元，一個request由一個bio或者多個扇區相連的bio組成。

1.3 架構圖

1.4 小結

Block Layer將文件系統提供的bio變成request，然后交給塊設備驅動處理。

二、2.0版本

目前只支持單個進程訪問塊設備。為了可以支持多進程，我們在塊設備驅動中創建一個隊列：request_queue，所有的進程發起bio生成的request，會被投遞到request_queue，塊設備循環處理request_queue中的request。

2.1 request_queue

每一個塊設備都有一個工作隊列，request_queue，保存準備就緒待處理的request。

2.2 架構圖

2.3 小結

這樣子就實現了多個進程同時訪問塊設備，而且在新的一個bio變成request之前，可以先看看該bio能否合并到request_queue的某個request，這樣子就可以提升bio處理的效率。

三、3.0版本

好像看起來2.0已經挺完美了，但是request_queue會有一把鎖控制，如果多個進程短時間發起多個bio，多個進程不斷競爭鎖，這樣子性能不是很好，我們就引入了plug。

3.1 plug

plug翻譯成中文就是塞子，每一個進程會有一個plug，plug是一個request的list，先將一個進程短時間發起的所有bio生成request先堆積到當前進程的plug list，然后在等待特定時機釋放plug中的requests到request_queue，這樣子可以提升bio處理的效率。

3.2 架構圖

3.3 小結

架構越來越完美了，除了上面的流程，在新的一個bio變成request之前，先看看能不能合并到plug里面的某個request中，如果不行在，再看看能否合并到request_queue里面的某個request中，如果不行再變成request，然后放到plug list中，等待積攢一定量之后，統一放置request_queue里面。

四、4.0版本

看起來好像3.0已經很完美了，但是我們會發現3.0有兩個明顯的優化點。

優化點1：

傳統的塊設備是機械磁盤，這種硬件是靠一個磁頭不斷移動進行訪問數據的，如果我們可以把所有request排序，這樣子就可以提升塊設備的訪問效率。

舉個例子：一個外賣員需要送很多外賣到一個辦公樓，他將外賣按樓層排序合并，然后一層層的送，肯定比隨機拿一個外賣，然后一層層的送的速度快。

優化點2：

每個塊設備單位時間處理request的次數是有限的，如果我們可以提升前臺的進程request被處理的優先級，這樣子就可以帶來更好的用戶體驗。

4.1 scheduler

翻譯成中文就是調度器，scheduler就是可以解決上述的兩個優化點，scheduler會在內部創建自定義的各種隊列來存放plug釋放出來的request，然后scheduler對這個所有的request進行一個調度，按照特定的規則再分發給request_queue，讓塊設備處理。

4.2 架構圖

4.3 小結

有了scheduler，我們就可以實現所有request的重新排序甚至合并，還可以對不同進程的request進行不同的優先級控制，目前linux支持的scheduler有：CFQ，deadline等

5、總結

學習Block Layer層，其實就是學習以上幾個重要的部分：bio，request，plug，scheduler，request_queue，而且linux的single-queue架構就是和4.0版的架構差不多，目前手機上基本采用這個single-queue的架構。

linux目前除了支持single-queue，還支持multi-queue，我就不展開講的，整體的結構很類似。

6、尾巴

整個流程好像看起來很爽，其實我們根本沒有關注過進程的調度，我說的進程就是task_struct，多個進程同時發送bio，最后將bio變成request送給了scheduler進行調度，這些代碼運行在各自的進程上，然后scheduler再將request分發給塊設備處理這個又運行在另一個單獨的進程上。如何讓多個進程發完request之后休眠，如何讓塊設備驅動處理完之后喚醒這些休眠的進程。這個喚醒的關鍵點：在于bio結構體中的bio_end_io_t *bi_end_io這個callback函數指針。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux 块设备，Block Layer层架构演变的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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