📚 课程目录第2章块设备核心数据结构

2. 块设备核心数据结构：block_device_operations、gendisk 与 request_queue

块设备驱动的核心在于三个相互关联的数据结构：block_device_operations（操作函数表）、gendisk（通用磁盘描述）和 request_queue（请求队列）。它们构成了块设备驱动与内核块设备层之间的契约，理解这三者的关系是编写正确、高效块设备驱动的前提。

  核心关系速览： 每个 gendisk 实例代表一个逻辑磁盘或分区，它内部包含一个指向 block_device_operations 的指针（定义该磁盘支持的操作），以及一个指向 request_queue 的指针（管理该磁盘的 I/O 请求排队与调度）。

2.1 block_device_operations 结构体

block_device_operations 是块设备驱动向内核暴露的操作接口，定义在 <linux/blkdev.h> 中。与字符设备的 file_operations 不同，块设备的操作函数数量较少，因为数据读写不通过这里，而是通过请求队列完成。

成员	函数原型	说明
`open`	`int (open)(struct block_device , fmode_t)`	设备打开时调用，可用于计数或初始化
`release`	`void (release)(struct gendisk , fmode_t)`	设备关闭时调用，清理资源
`ioctl`	`int (ioctl)(struct block_device , fmode_t, unsigned, unsigned long)`	处理设备特定 ioctl 命令
`compat_ioctl`	`int (compat_ioctl)(struct block_device , fmode_t, unsigned, unsigned long)`	32位兼容模式下的 ioctl
`getgeo`	`int (getgeo)(struct block_device , struct hd_geometry *)`	获取磁盘几何参数（CHS）
`check_events`	`unsigned int (check_events)(struct gendisk , unsigned int)`	检查介质状态变化（如光盘弹出）
`revalidate_disk`	`int (revalidate_disk)(struct gendisk )`	重新验证磁盘容量或介质变化
`owner`	`struct module *owner`	通常设置为 `THIS_MODULE`

关键理解： open 和 release 用于管理设备的打开计数和状态；ioctl 用于非标准控制命令；getgeo 用于传统分区工具（如 fdisk）获取 CHS 参数。数据读写操作不在此结构体中定义。

典型初始化示例：

static int my_open(struct block_device *bdev, fmode_t mode) {
    struct my_disk *disk = bdev->bd_disk->private_data;
    if (!disk) return -ENXIO;
    disk->users++;
    return 0;
}

static void my_release(struct gendisk *gd, fmode_t mode) {
    struct my_disk *disk = gd->private_data;
    disk->users--;
}

static int my_getgeo(struct block_device *bdev, struct hd_geometry *geo) {
    geo->heads = 4;
    geo->sectors = 16;
    geo->cylinders = 1024;
    geo->start = 0;
    return 0;
}

static const struct block_device_operations my_bdops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = my_open,
    .release = my_release,
    .ioctl   = my_ioctl,
    .getgeo  = my_getgeo,
};

2.2 gendisk 结构体详解

struct gendisk 是内核中表示一个通用磁盘设备的核心结构体。它封装了磁盘的标识、容量、分区信息、请求队列以及驱动私有数据。每个块设备驱动必须为每个逻辑磁盘分配并注册一个 gendisk 实例。

gendisk 生命周期管理：

步骤	函数	说明
1. 分配	`alloc_disk(int minors)`	分配 gendisk 实例，指定次设备号数量
2. 初始化	手动赋值	设置 major、first_minor、disk_name、fops、queue、private_data、capacity
3. 注册	`add_disk(struct gendisk *)`	将磁盘注册到内核，创建设备节点并激活 I/O
4. 卸载	`del_gendisk(struct gendisk *)`	删除磁盘，清理分区信息和设备节点
5. 释放	`put_disk(struct gendisk *)`	减少引用计数，计数归零时释放内存

常见错误： 在调用 add_disk() 之后，驱动必须确保所有 gendisk 字段已经正确初始化，因为 add_disk() 会立即触发内核对该磁盘的访问（如分区扫描）。不要在 add_disk() 之后再修改 capacity 或 fops。

典型初始化代码：

struct my_disk {
    spinlock_t lock;
    struct request_queue *queue;
    struct gendisk *gd;
    int users;
    // 其他驱动私有数据
};

static int __init my_init(void) {
    struct my_disk *disk;
    
    // 1. 分配驱动私有结构体
    disk = kzalloc(sizeof(*disk), GFP_KERNEL);
    if (!disk) return -ENOMEM;
    spin_lock_init(&disk->lock);
    
    // 2. 分配请求队列
    disk->queue = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
    if (!disk->queue) goto err_queue;
    blk_queue_make_request(disk->queue, my_make_request);
    
    // 3. 分配 gendisk（支持 16 个分区）
    disk->gd = alloc_disk(16);
    if (!disk->gd) goto err_gd;
    
    // 4. 初始化 gendisk 字段
    disk->gd->major       = my_major;
    disk->gd->first_minor = 0;
    disk->gd->fops        = &my_bdops;
    disk->gd->queue       = disk->queue;
    disk->gd->private_data = disk;
    snprintf(disk->gd->disk_name, 32, "mydisk");
    set_capacity(disk->gd, 1024 * 1024);  // 512MB
    
    // 5. 注册磁盘
    add_disk(disk->gd);
    return 0;
    
err_gd:
    blk_cleanup_queue(disk->queue);
err_queue:
    kfree(disk);
    return -ENOMEM;
}

2.3 request_queue 结构体

struct request_queue 是块设备 I/O 请求的调度与管理中心。每个 gendisk 拥有一个独立的请求队列，所有发往该磁盘的 bio 都会先进入这个队列，经过 I/O 调度器（elevator）的合并与排序后，再传递给驱动处理。

request_queue 核心成员：

成员	类型	说明
`make_request_fn`	函数指针	接收 bio 并决定如何处理（直接处理或入队）
`request_fn`	函数指针	从队列中取出 request 并执行（传统模式）
`elevator`	`struct elevator_queue *`	指向 I/O 调度器实例
`queue_flags`	unsigned long	队列状态标志（如 QUEUE_FLAG_STOPPED）
`queue_limits`	`struct queue_limits`	设备硬件限制（最大扇区数、对齐要求等）
`nr_requests`	unsigned int	队列中最大请求数
`queuedata`	void *	驱动私有数据指针

  两种 I/O 处理模式：

  1. 传统 request 模式： 驱动实现 request_fn，内核将 bio 合并为 request 后批量提交。适合机械硬盘等需要 I/O 调度的设备。

  2. make_request_fn 模式（BIO 直通）： 驱动实现 make_request_fn，直接接收 bio，绕过 I/O 调度器。适合 SSD、RAM disk 等不需要调度的设备。

队列创建与绑定示例：

// 方式一：传统 request 模式（需要 I/O 调度器）
struct request_queue *q;
q = blk_init_queue(my_request_fn, &my_lock);
if (!q) goto err;
disk->queue = q;

// 方式二：make_request_fn 模式（BIO 直通，无调度器）
struct request_queue *q;
q = blk_alloc_queue(GFP_KERNEL);
if (!q) goto err;
blk_queue_make_request(q, my_make_request);
disk->queue = q;

// 设置队列限制
blk_queue_logical_block_size(q, 512);
blk_queue_physical_block_size(q, 4096);
blk_queue_max_hw_sectors(q, 256);

性能提示： 对于基于 RAM 的块设备或 NVMe 等高性能设备，推荐使用 make_request_fn 模式，避免 I/O 调度器的额外开销。对于传统机械硬盘，使用 request_fn 模式以利用 I/O 调度器的合并与排序能力。

2.4 三者协作关系总结

在块设备驱动中，这三个结构体的协作关系可以概括为：

gendisk 是"身份证"：标识设备的存在、容量和设备号范围。
block_device_operations 是"控制面板"：提供打开、关闭、ioctl 等控制操作。
request_queue 是"数据管道"：管理所有读写 I/O 请求的排队、调度与分发。

驱动初始化时，先分配 gendisk 和 request_queue，将两者通过指针关联，再将 block_device_operations 赋值给 gendisk->fops。最后调用 add_disk() 使设备生效。卸载时，先调用 del_gendisk() 移除设备，再清理队列和释放内存。

注意事项： 在调用 add_disk() 之前，必须确保 gendisk->queue 和 gendisk->fops 已经正确赋值。内核在 add_disk() 中会立即使用这些指针，如果为 NULL 将导致内核崩溃。