块设备 - 想进阶的必经之路！

在Linux内核开发的世界中，块设备（Block Device）是一块不可忽视的领域。它承载了文件系统的运行，管理着磁盘存储的核心逻辑，是初学者迈向内核进阶的重要知识点。本篇文章将用通俗易懂的语言，为你揭开块设备的神秘面纱。

一、什么是块设备？

块设备是Linux系统中用于存储数据的硬件抽象，它允许以固定大小的块（通常是512字节或4KB）为单位进行数据读写操作。与字符设备（Character Device）不同，块设备支持随机访问，这使得它非常适合用于磁盘存储设备。

1.1 块设备的典型例子

块设备的常见例子包括：

通过lsblk命令可以查看系统中的块设备：

lsblk

输出示例：

NAME        MAJ:MIN RM   SIZE RO TYPE MOUNTPOINT
sda           8:0    0   500G  0 disk
├─sda1        8:1    0   100G  0 part /
└─sda2        8:2    0   400G  0 part /home
nvme0n1     259:0    0   1.8T  0 disk
└─nvme0n1p1 259:1    0   1.8T  0 part /mnt/data

1.2 块设备的特性

二、块设备的工作原理

2.1 块设备栈的结构

块设备的工作涉及多个层次，从硬件到用户空间，形成了一个完整的设备栈。

+------------------+
| 应用程序         |
+------------------+
         |
+------------------+
| 文件系统         |
+------------------+
         |
+------------------+
| 块设备驱动程序   |
+------------------+
         |
+------------------+
| 硬件控制器       |
+------------------+
         |
+------------------+
| 硬件设备         |
+------------------+

2.2 块设备的基本操作

块设备的核心操作由内核中的struct block_device_operations定义，主要包括以下方法：

一个典型的块设备操作流程如下：

1. 应用程序调用文件系统接口（如read()）。
2. 文件系统将请求传递给块设备驱动。
3. 块设备驱动通过硬件控制器与设备交互，完成数据传输。

三、块设备驱动的实现

3.1 环境准备

在实现块设备驱动之前，你需要以下开发环境：

• Linux系统：推荐使用Ubuntu或CentOS。
• 工具链：gcc、make、insmod、rmmod等工具。
• 内核源码：用于参考已有的驱动实现。

3.2 实现步骤

以下是一个简单块设备驱动的实现框架：

1. 定义设备结构体

块设备的核心数据结构包含设备号、请求队列等：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/genhd.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/bio.h>

#define DEVICE_NAME "my_block_device"

static struct gendisk *my_gendisk;
static struct request_queue *my_queue;
static int major;

2. 初始化设备

使用alloc_disk()创建设备并注册：

static int __init my_block_init(void) {
    major = register_blkdev(0, DEVICE_NAME);
    if (major <= 0) {
        printk(KERN_ERR "Failed to register block device\n");
        return -EBUSY;
    }

    my_gendisk = alloc_disk(1);
    if (!my_gendisk) {
        unregister_blkdev(major, DEVICE_NAME);
        return -ENOMEM;
    }

    my_gendisk->major = major;
    my_gendisk->first_minor = 0;
    my_gendisk->fops = &my_fops;
    snprintf(my_gendisk->disk_name, 32, DEVICE_NAME);

    add_disk(my_gendisk);
    return 0;
}

static void __exit my_block_exit(void) {
    del_gendisk(my_gendisk);
    put_disk(my_gendisk);
    unregister_blkdev(major, DEVICE_NAME);
}

module_init(my_block_init);
module_exit(my_block_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");

四、块设备的高级功能

4.1 请求队列

请求队列（Request Queue）是块设备驱动的重要组成部分，用于优化和调度I/O请求。内核为每个块设备维护一个请求队列，确保I/O操作的高效性。

常见调度算法：

4.2 缓存机制

内核为块设备提供了缓存（buffer cache）和页面缓存（page cache），以提高读写性能。缓存机制减少了对磁盘的直接访问，显著提升了I/O效率。

五、块设备的调试与测试

5.1 使用dd测试块设备

dd命令是测试块设备性能和功能的常用工具：

sudo dd if=/dev/zero of=/dev/my_block_device bs=1M count=100

5.2 查看设备信息

使用以下命令查看块设备的相关信息：

• lsblk：列出块设备。
• blkid：显示设备UUID和文件系统类型。
• dmesg：查看设备加载日志。

六、块设备的常见面试问题

七、总结

块设备是Linux内核开发中极其重要的一环。它的存在让我们能够高效管理磁盘和其他存储设备，并为文件系统的运行提供了坚实的基础。通过本文，你应该对块设备的基本概念、工作原理、驱动开发和高级功能有了全面的了解。

对于初学者来说，掌握块设备的概念和实现方法，是迈向内核开发的重要一步。希望这篇文章能为你提供清晰的指引，并激发你进一步探索的兴趣。如果你在学习中遇到任何问题，欢迎留言讨论！

行动建议：

1. 使用lsblk命令熟悉系统中的块设备。
2. 尝试编写一个简单的块设备驱动，体验实际开发的过程。
3. 深入研究内核中的调度算法，理解其对性能的影响。

探索块设备的世界，从现在开始！