块设备IO

本文主要讨论该小内核的块设备IO的一个大概框架。

本节相关的代码位于
kernel/dev/blk/*
include/dev/blk/*

1. 整体框架

首先我们来看看整个内核跟块设备有关的的一个大体架构：

这张图想必对于绝大多数人应该都会感觉很简单。

我们需要实现块设备的IO操作，与之相关联的有这三个：

Gendisk：负责块设备的统一管理框架；
Block Buffer：块设备 buffer；
Driver：底层的设备驱动；

具体的读写IO框架呢，如下所示：

图片有些凌乱，我们直接给出读、写、同步磁盘的步骤如下：

1.1 读

用户生成请求
用户唤醒start_io线程处理
在该请求上睡眠，等待完成（代码中使用信号量避免了唤醒丢失问题）
start_io查缓存，若有，则复制后返回，否则继续
使用驱动注册提供的直接接口读（位于gendisk->ops->ll_rw）
数据加入缓存
复制数据给提供的区域并唤醒用户
结束

1.2 写

用户生成请求
用户唤醒start_io线程处理
在该请求上睡眠，等待完成
start_io写入缓冲区，标记脏
唤醒用户
结束

写操作只是写回了缓冲区，具体的写磁盘由 flush 线程负责（见 1. 3 同步回磁盘）

1.3 同步回磁盘

flush线程定期被唤醒
遍历直接刷写脏链缓存（使用驱动注册提供的直接接口写）
睡眠，等待下一次唤醒

2. Gindisk

本层主要负责处理块设备的统一管理。

先上菜：

// include/dev/blk/gendisk.h
struct gendisk_operations
{
    int (*open)(struct gendisk *gd, mode_t mode);    // 打开设备
    int (*release)(struct gendisk *gd, mode_t mode); // 关闭设备
    int (*start_io)(struct gendisk *gd);             // 执行I/O操作，由一个专门线程负责
    uint64_t (*disk_size)(struct gendisk *gd);         // 获取设备大小

    int (*ll_rw)(struct gendisk *gd, struct bio *bio, uint32_t rw); // 设备底层次的读写操作

    // 读写操作，只是创建对应的 bio 后挂载到请求队列上
    int (*read)(struct gendisk *gd, uint32_t blockno, uint32_t offset, uint32_t len, void *vaddr);
    int (*write)(struct gendisk *gd, uint32_t blockno, uint32_t offset, uint32_t len, void *vaddr);
};

// 通用块
struct gendisk
{
    struct block_device *dev;
        struct request_queue queue; // 请求队列

    struct gendisk_operations ops;

    struct bhash_struct bhash;        // 缓存哈希
    struct thread_info *io_thread;    // 专门负责处理这个设备IO的线程
    struct thread_info *flush_thread; // 专门负责处理这个设备 flush 的线程
};

通过代码可以看出，我们实现的Gindisk主要负责有：

处理请求队列
设备操作方法
设备缓存
Flush 同步

也就是说，每个设备都有自己独立的一套内存资源，包括请求队列、缓存管理、IO线程、Flush线程。

3. Block Buffer

没有什么好说的，仅仅是一个哈希池 + 记录脏缓冲而已。

// include/dev/blk/buf.h
struct buf_head
{
    uint32_t blockno; // 起始块号
    hash_node_t bh_node;    // 哈希节点
    struct list_head lru;   // lru
    struct list_head dirty; // dirty_list
	...
};

struct bhash_struct
{
    struct gendisk *gd;
    struct hash_table buf_hash_table;

    // LRU2
    struct list_head active_list;
    struct list_head inactive_list;
	
    // dirty
    struct list_head dirty_list; // 脏链
};

块设备IO ​

1. 整体框架 ​

1.1 读 ​

1.2 写 ​

1.3 同步回磁盘 ​

2. Gindisk ​

3. Block Buffer ​

4. Dirver ​