4. 请求队列与 bio：块设备I/O的核心数据结构

在块设备驱动中，I/O请求的传递与处理依赖于一套精心设计的数据结构。本章深入剖析 bio、request 和 request_queue 三个核心对象，理解它们如何协同工作，将文件系统的逻辑块访问转化为物理设备的实际传输。

4.1 bio 结构体详解

bio 是块设备I/O的最小描述单元，它代表一个内存缓冲区与块设备之间的数据传输请求。每个 bio 可以包含多个不连续的物理内存页，支持分散/聚集（scatter-gather）I/O。

4.1.1 bio 核心字段

4.1.2 bio_vec：内存段描述符

每个 bio_vec 描述一个连续的内存区域，包含页指针、页内偏移和长度。多个 bio_vec 构成一个 bio 的完整数据缓冲区。

struct bio_vec {
    struct page *bv_page;   /* 指向物理页框 */
    unsigned int  bv_len;   /* 段长度（字节） */
    unsigned int  bv_offset;/* 页内偏移 */
};

4.1.3 bio 与 bio_vec 关系图

4.2 request 结构体

request 是块设备驱动处理的基本单位，它由一个或多个 物理地址连续 的 bio 合并而成。驱动层的 request_fn 或 make_request_fn 直接操作 request 对象。

4.2.1 request 关键字段

4.2.2 request 与 bio 的聚合关系

多个 bio 可以合并为一个 request，前提是它们访问的扇区连续且方向相同。合并过程由 I/O 调度器自动完成，驱动开发者通常无需手动干预。

4.3 请求队列的创建与配置

请求队列（request_queue）是块设备驱动的核心调度枢纽。驱动通过 blk_init_queue 或 blk_alloc_queue 创建队列，并绑定请求处理函数。

4.3.1 请求队列创建流程

1. 分配队列：调用 blk_alloc_queue(GFP_KERNEL) 分配队列结构体。
2. 设置 make_request_fn：对于非传统块设备（如 MTD、RAM disk），使用 blk_queue_make_request 绑定自定义处理函数。
3. 初始化传统请求队列：使用 blk_init_queue(request_fn, lock) 创建带 I/O 调度器的队列。
4. 配置队列参数：设置最大扇区数、段大小、DMA 对齐等硬件约束。
5. 绑定到 gendisk：将队列指针赋值给 gendisk->queue。

4.3.2 关键配置函数

4.3.3 请求队列初始化代码示例

#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/blk-mq.h>

static struct request_queue *my_queue;
static spinlock_t my_queue_lock;

/* 传统请求处理函数 */
static void my_request_fn(struct request_queue *q)
{
    struct request *req;

    while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) {
        /* 处理请求：获取 bio、遍历 bio_vec、启动 DMA */
        struct bio *bio = req->bio;
        sector_t sector = blk_rq_pos(req);
        unsigned int nr_sectors = blk_rq_sectors(req);

        /* 实际数据传输逻辑 */
        // ...

        __blk_end_request_all(req, 0);  /* 0 表示成功 */
    }
}

static int __init my_driver_init(void)
{
    /* 步骤1：分配并初始化请求队列 */
    spin_lock_init(&my_queue_lock);
    my_queue = blk_init_queue(my_request_fn, &my_queue_lock);
    if (!my_queue)
        return -ENOMEM;

    /* 步骤2：配置硬件约束 */
    blk_queue_max_hw_sectors(my_queue, 256);      /* 最大 128KB */
    blk_queue_max_segments(my_queue, 32);         /* 最多 32 个段 */
    blk_queue_logical_block_size(my_queue, 512);  /* 512 字节扇区 */

    /* 步骤3：绑定到 gendisk */
    my_gendisk->queue = my_queue;

    return 0;
}

4.4 请求队列与 I/O 调度器

请求队列内部集成了 I/O 调度器，负责对 bio 进行合并、排序和分发。常见的 I/O 调度器包括：

• NOOP：简单 FIFO，适合 SSD 或闪存设备。
• Deadline：为每个请求设置截止时间，避免饥饿。
• CFQ：完全公平队列，为进程分配时间片。
• BFQ：基于权重的预算公平队列。

4.4.1 请求队列内部架构

4.5 本章小结