3. 块设备驱动模型

块设备驱动模型是Linux内核I/O子系统的核心骨架。本章深入剖析gendisk结构体、分区表解析、block_device_operations函数集以及设备注册与注销流程，帮助你在存储场景优化中精准控制块设备行为。

3.1 gendisk结构体：块设备的逻辑抽象

gendisk（generic disk）是内核中描述一个逻辑磁盘的核心数据结构。它不直接对应物理硬件，而是代表一个可被分区、可挂载文件系统的块设备实例。每个gendisk实例关联一个request_queue和一组block_device_operations。

3.2 分区表解析：从MBR到GPT

分区表解析是块设备驱动初始化时的关键步骤。内核通过blkdev_get触发分区扫描，调用check_partition函数识别分区格式。主流分区表格式包括MBR（主引导记录）和GPT（GUID分区表）。

3.3 block_device_operations：块设备操作函数集

block_device_operations结构体定义了块设备驱动的操作接口。每个gendisk实例必须关联一个该结构体的实例。与字符设备的file_operations不同，块设备操作集更侧重于打开/关闭/获取介质状态/报告容量等管理操作，而实际数据传输由request_queue处理。

// 内核源码 include/linux/blkdev.h
struct block_device_operations {
    int (*open)(struct block_device *, fmode_t);
    void (*release)(struct gendisk *, fmode_t);
    int (*ioctl)(struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
    int (*compat_ioctl)(struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
    unsigned int (*check_events)(struct gendisk *disk, unsigned int clearing);
    int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);
    int (*set_read_only)(struct block_device *, bool);
    void (*swap_slot_free_notify)(struct block_device *, unsigned long);
    int (*report_zones)(struct gendisk *, sector_t sector,
                        unsigned int nr_zones, report_zones_cb cb, void *data);
    char *(*devnode)(struct gendisk *disk, umode_t *mode);
    struct module *owner;
    const struct pr_ops *pr_ops;
};

3.4 设备注册与注销流程

块设备驱动的生命周期管理遵循严格的注册-使用-注销模式。核心API包括alloc_disk、add_disk、del_gendisk和put_disk。

3.4.1 注册流程

1. 分配gendisk：调用alloc_disk(minors)分配gendisk实例，指定次设备号数量。
2. 初始化字段：设置major、first_minor、disk_name、fops、queue等。
3. 分配请求队列：调用blk_mq_alloc_disk或blk_alloc_disk创建请求队列并关联。
4. 注册设备：调用add_disk(gendisk)将设备注册到内核，触发分区扫描和udev事件。

// 典型注册流程示例
static int __init my_block_driver_init(void)
{
    struct gendisk *disk;
    struct request_queue *q;
    
    // 1. 分配请求队列（多队列模式）
    q = blk_mq_alloc_disk(&my_tag_set, &my_queue_ops, &my_dev);
    if (IS_ERR(q))
        return PTR_ERR(q);
    
    // 2. 分配gendisk
    disk = alloc_disk(16);  // 支持16个分区
    if (!disk) {
        blk_cleanup_queue(q);
        return -ENOMEM;
    }
    
    // 3. 初始化gendisk
    disk->major = MY_MAJOR;
    disk->first_minor = 0;
    disk->disk_name = "mydisk";
    disk->fops = &my_block_ops;
    disk->queue = q;
    disk->private_data = &my_dev;
    
    // 4. 注册设备
    add_disk(disk);
    
    return 0;
}

3.4.2 注销流程

1. 删除gendisk：调用del_gendisk(disk)，移除设备节点并刷新未完成I/O。
2. 清理请求队列：调用blk_cleanup_queue(disk->queue)。
3. 释放gendisk：调用put_disk(disk)，释放引用计数。

// 典型注销流程示例
static void __exit my_block_driver_exit(void)
{
    struct my_device *dev = &my_dev;
    
    // 1. 删除gendisk
    del_gendisk(dev->disk);
    
    // 2. 清理请求队列
    blk_cleanup_queue(dev->disk->queue);
    
    // 3. 释放gendisk
    put_disk(dev->disk);
}

3.5 关键数据结构关系图

块设备驱动模型中，gendisk、request_queue、block_device_operations和block_device之间的关系如下：