2. 块设备驱动核心数据结构详解

块设备驱动的核心在于四个关键数据结构：gendisk（通用磁盘描述）、request_queue（请求队列）、block_device_operations（块设备操作集）和 bio（块 I/O 请求）。它们构成了从文件系统到物理设备之间的完整数据通路。理解这些结构的职责、生命周期和交互关系，是编写和调试块设备驱动的基础。

2.1 gendisk：通用磁盘描述符

struct gendisk 是内核中表示一个逻辑磁盘的核心结构体。每个块设备（如 /dev/sda、/dev/nvme0n1）都对应一个 gendisk 实例。它包含了磁盘的几何信息、分区表、请求队列指针以及驱动私有数据。

2.2 request_queue：请求队列与 I/O 调度

struct request_queue 是块设备 I/O 请求的排队和调度中心。文件系统提交的 bio 请求经过块层合并、排序后，形成 request 链表挂入队列。驱动通过注册 make_request_fn 或 request_fn 从队列中取出请求并处理。

• make_request_fn：直接接收 bio，适用于简单块设备（如 ramdisk、virtio-blk）。驱动自行决定如何处理 bio。
• request_fn：接收经过 I/O 调度器合并排序后的 request，适用于传统磁盘（如 SCSI、SATA）。
• I/O 调度器：内核支持多种调度算法（mq-deadline、kyber、bfq），通过 elevator 机制挂载。

2.3 block_device_operations：块设备操作函数表

struct block_device_operations 定义了驱动向内核暴露的回调函数。与字符设备的 file_operations 类似，但块设备操作集更精简，主要关注打开、关闭、获取几何信息、介质状态检查等。

// 典型 block_device_operations 实现示例
static int myblock_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode) {
    struct myblock_dev *dev = bdev->bd_disk->private_data;
    printk(KERN_INFO "myblock: open device, capacity=%llu\n",
           (unsigned long long)dev->capacity);
    return 0;
}

static int myblock_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo) {
    struct myblock_dev *dev = bdev->bd_disk->private_data;
    geo->heads = 1;
    geo->sectors = 1;
    geo->cylinders = dev->capacity;
    return 0;
}

static const struct block_device_operations myblock_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = myblock_open,
    .release = myblock_release,
    .getgeo  = myblock_getgeo,
};

2.4 bio：块 I/O 请求的最小单元

struct bio 是内核块层与文件系统、驱动之间传递 I/O 请求的核心结构体。每个 bio 描述一个或多个连续内存页的传输请求，包含起始扇区、数据方向（读/写）、数据页列表等信息。

2.5 四者协作关系

在块设备驱动中，这四个数据结构按照以下流程协作：

1. 注册阶段：驱动调用 alloc_disk() 分配 gendisk，设置 fops、queue、private_data，最后调用 add_disk() 注册到系统。
2. I/O 提交阶段：文件系统通过 submit_bio() 提交 bio 到块层。块层将 bio 合并到 request_queue 中的 request。
3. I/O 处理阶段：驱动从 request_queue 取出 request（或直接接收 bio），解析 bio 中的 bi_sector、bi_io_vec，执行 DMA 传输。
4. I/O 完成阶段：驱动调用 bio_endio() 通知 bio 完成，块层唤醒等待的进程。