2. Linux 块设备层核心数据结构：gendisk、request_queue、bio、request 结构体详解

Linux 块设备层是内核 I/O 路径的核心枢纽，它通过四个关键数据结构将上层文件系统与底层物理设备解耦。理解 gendisk、request_queue、bio 和 request 的职责与协作关系，是编写高效块设备驱动的基础。

2.1 gendisk：块设备的通用磁盘抽象

struct gendisk 是内核向 VFS 层暴露块设备的标准接口。每个块设备（如 /dev/sda）在内核中对应一个 gendisk 实例。它封装了设备号、分区表、请求队列和操作函数集。

2.2 request_queue：I/O 调度与排队引擎

struct request_queue 是块设备 I/O 的核心调度器。它负责接收上层的 bio，进行合并与排序，然后以 request 的形式分发给驱动。每个 gendisk 有且仅有一个 request_queue。

request_queue 的关键组件包括：

• I/O 调度器：如 CFQ、deadline、mq-deadline、none（多队列默认）。决定 request 的排队与分发顺序。
• 队列函数（make_request_fn）：单队列（blk_queue_make_request）或多队列（blk_mq_ops）的入口。
• 限流与节流：通过 blk_queue_max_hw_sectors、blk_queue_max_segments 等设置硬件限制。
• 软/硬中断亲和性：多队列模式下，每个队列可绑定到特定 CPU，减少锁竞争。

2.3 bio：块 I/O 的基本操作单元

struct bio 是文件系统层与块设备层之间传递 I/O 请求的最小载体。它描述了一段连续的内存缓冲区与磁盘扇区之间的数据传输。每个 bio 代表一个“逻辑上连续的 I/O 操作”。

2.4 request：合并后的 I/O 请求

struct request 是 I/O 调度器经过合并与排序后，提交给驱动的最小执行单元。一个 request 可以包含多个连续的 bio（通过 bio 链表链接），这些 bio 在扇区上连续且方向相同。

request 的核心成员：

• q：所属的 request_queue
• cmd_flags：操作类型（读/写/刷/丢弃）
• __sector：起始扇区
• __data_len：总数据长度
• bio：指向第一个 bio 的指针
• rq_disk：指向对应的 gendisk
• special：驱动私有数据

2.5 四者协作流程总结

当文件系统发起读写时，数据流经以下路径：

1. 文件系统层：构造 bio，填充扇区、内存页、回调函数。
2. 通用块层：将 bio 提交到 gendisk 对应的 request_queue。
3. I/O 调度器：尝试将 bio 合并到已有的 request 中；若无法合并，则创建新的 request。
4. 驱动分发：从 request_queue 中获取 request，解析 bio 链表，执行 DMA 传输。
5. 完成回调：每个 bio 的 bi_end_io 被调用，最终通知文件系统 I/O 完成。

2.6 驱动开发中的常用 API