1. 块设备层概述

1.1 块设备与字符设备的本质区别

在 Linux 内核的 I/O 体系中，设备被划分为两大类型：块设备（Block Device）和字符设备（Character Device）。理解二者的差异是掌握块设备层的前提。

1.2 块设备层在内核中的位置

块设备层位于 Linux 内核 I/O 栈的中间枢纽位置，向上承接虚拟文件系统（VFS）和页缓存，向下对接具体设备驱动程序。其核心职责是：将文件系统发来的逻辑 I/O 请求，转化为物理设备可执行的块 I/O 请求，并通过调度策略优化性能。

1.3 块设备层核心数据结构概览

块设备层的实现围绕三个核心数据结构展开：block_device、gendisk 和 request_queue。它们构成了从“设备文件”到“物理磁盘”再到“I/O 请求队列”的完整链路。

1.3.1 block_device：块设备实例

block_device 结构体代表一个已打开或已发现的块设备实例。它关联了设备号、分区信息、引用计数以及指向 gendisk 的指针。

// include/linux/fs.h (简化核心字段)
struct block_device {
    dev_t            bd_dev;          // 设备号（主+次）
    struct gendisk  *bd_disk;         // 指向所属的 gendisk
    struct block_device *bd_contains; // 指向整个磁盘设备（分区时使用）
    unsigned         bd_block_size;   // 块大小（通常 512 或 4096）
    struct super_block *bd_super;     // 挂载的文件系统超级块
    int              bd_openers;      // 打开计数
    spinlock_t       bd_size_lock;    // 大小变更锁
    // ...
};

1.3.2 gendisk：通用磁盘描述

gendisk 是内核中通用磁盘的抽象，代表一个物理磁盘或虚拟块设备（如 RAM disk、loop 设备）。它包含了磁盘的容量、分区表、设备号范围以及最重要的——指向 request_queue 的指针。

// include/linux/genhd.h (简化核心字段)
struct gendisk {
    int              major;           // 主设备号
    int              first_minor;     // 第一个次设备号
    int              minors;          // 次设备号数量（分区数+1）
    char             disk_name[DISK_NAME_LEN]; // 设备名，如 "sda"
    struct disk_part_tbl *part_tbl;   // 分区表
    struct request_queue *queue;      // 指向该磁盘的请求队列（核心！）
    struct block_device_operations *fops; // 块设备操作函数集
    unsigned long    state;           // 设备状态
    int              flags;           // 标志位
    // ...
};

1.3.3 request_queue：I/O 请求队列

request_queue 是块设备层的调度核心。所有发往该设备的 I/O 请求（struct request）都会进入此队列，由 I/O 调度器（如 CFQ、Deadline、MQ-Deadline、BFQ）进行合并、排序和分发。

// include/linux/blkdev.h (简化核心字段)
struct request_queue {
    struct list_head    queue_head;       // 请求链表头
    struct elevator_queue *elevator;      // I/O 调度器实例
    struct blk_mq_ctx   *mq_ctx;          // 多队列上下文
    struct blk_mq_hw_ctx **queue_hw_ctx;  // 多队列硬件上下文
    unsigned long       nr_requests;      // 队列中最大请求数
    unsigned int        queue_depth;      // 队列深度
    spinlock_t          queue_lock;       // 队列自旋锁
    struct gendisk      *disk;            // 反向指向所属磁盘
    request_fn_proc     *request_fn;      // 请求处理函数
    // ...
};

1.4 三大数据结构的关系

下图展示了 block_device、gendisk 和 request_queue 之间的协作关系：

1.5 关键设计要点总结

• 分层解耦：block_device 关注设备实例与分区，gendisk 关注磁盘整体属性，request_queue 专注 I/O 调度。三者职责清晰，便于扩展。
• 共享队列：同一物理磁盘的所有分区共享同一个 gendisk 和 request_queue。这意味着 I/O 调度器看到的是整个磁盘的请求流，而非单个分区。
• 调度入口：request_queue 中的 elevator 字段指向具体的 I/O 调度器实例。切换调度器（如从 CFQ 切换到 Deadline）本质上是替换这个指针指向的调度算法实现。
• 多队列演进：现代内核（Linux 5.0+）已全面采用 blk-mq（多队列块层），request_queue 内部包含多个软件/硬件上下文，以适配 NVMe 等多队列设备的高并发需求。