1. 块设备驱动基础

块设备驱动是 Linux 存储子系统的基石，理解其核心概念与数据结构是进行性能调优的前提。本节将首先厘清块设备与字符设备的本质区别，然后深入剖析 gendisk、request_queue 和 bio 三大核心数据结构的设计意图与协作关系。

1.1 块设备与字符设备的区别

在 Linux 设备驱动模型中，设备被抽象为两大类：块设备（Block Device） 和 字符设备（Character Device）。两者的根本差异在于数据访问的粒度与方式。

下图展示了块设备与字符设备在内核 I/O 路径上的核心差异：

1.2 块设备驱动核心数据结构

Linux 块设备层围绕三个核心数据结构构建：gendisk（通用磁盘描述）、request_queue（请求队列）和 bio（块 I/O 请求）。三者形成“设备 → 队列 → 请求”的层次化架构。

1.2.1 gendisk：通用磁盘描述

struct gendisk 是内核中代表一个逻辑磁盘的顶层结构。每个块设备（如 /dev/sda、/dev/nvme0n1）在内核中都对应一个 gendisk 实例。

struct gendisk {
    int major;                  // 主设备号
    int first_minor;            // 起始次设备号
    int minors;                 // 次设备号数量（分区数量上限）
    char disk_name[DISK_NAME_LEN]; // 设备名称，如 "sda"
    struct disk_part_tbl *part_tbl; // 分区表
    struct block_device_operations *fops; // 块设备操作函数集
    struct request_queue *queue; // 指向关联的请求队列
    void *private_data;         // 驱动私有数据
    int flags;                  // 设备标志（如 GENHD_FL_NO_PART）
    struct device *driverfs_dev; // 关联的 device 结构
    // ... 其他字段
};

1.2.2 request_queue：请求队列与 I/O 调度

struct request_queue 是块设备 I/O 的核心调度与分发枢纽。所有发往该设备的 bio 都会先进入此队列，经过 I/O 调度器处理后，再以 request 的形式传递给驱动。

struct request_queue {
    struct request_list    rq;           // 请求池
    struct elevator_queue *elevator;     // I/O 调度器（如 mq-deadline）
    struct blk_mq_ctx      *mq_ctx;      // 多队列上下文
    struct blk_mq_hw_ctx   **queue_hw_ctx; // 硬件队列数组
    make_request_fn        *make_request_fn; // 自定义请求处理函数
    unsigned long          nr_requests;  // 队列中最大请求数
    unsigned int           queue_depth;  // 队列深度（对 NVMe 等至关重要）
    // ... 其他字段
};

下图展示了 gendisk、request_queue 与 bio 之间的协作关系：

1.2.3 bio：块 I/O 请求的基本单元

struct bio 是 Linux 块层中最底层的 I/O 描述结构，代表一次独立的、不可分割的块 I/O 操作。它直接面向文件系统和块设备驱动。

struct bio {
    struct bio      *bi_next;       // 链表指针，用于 bio 合并
    struct block_device *bi_bdev;   // 目标块设备
    unsigned long   bi_flags;       // 标志位（如 BIO_UPTODATE）
    unsigned short  bi_vcnt;        // bi_io_vec 中向量数量
    unsigned short  bi_idx;         // 当前处理的向量索引
    unsigned int    bi_size;        // 剩余 I/O 字节数
    struct bio_vec  *bi_io_vec;     // 数据向量数组（页 + 偏移 + 长度）
    struct bio_set  *bi_pool;       // 所属内存池
    bio_end_io_t    *bi_end_io;     // I/O 完成回调函数
    void            *bi_private;    // 驱动私有数据
    // ... 其他字段
};

1.3 核心数据结构关系总结

下表总结了三大数据结构在块设备 I/O 路径中的角色与关键性能属性：