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：
| 设备类型 | 设备节点 | 描述 |
|---|---|---|
| 硬盘 | /dev/sda | 系统中的主要存储设备 |
| 固态硬盘（SSD） | /dev/nvme0n1 | 高速存储设备 |
| U盘 | /dev/sdb | 移动存储设备 |
| 虚拟块设备 | /dev/loop0 | 用于挂载镜像文件的虚拟设备 |
| RAID阵列设备 | /dev/md0 | 通过多块磁盘组成的冗余阵列设备 |
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
| 特性 | 描述 |
|---|---|
| 随机访问 | 支持以任意顺序读取或写入数据块 |
| 缓冲支持 | 使用缓存机制提升读写性能 |
| 分区支持 | 支持将单个设备划分为多个逻辑分区 |
| 文件系统依赖 | 块设备是文件系统运行的基础 |
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：
| 操作 | 描述 |
|---|---|
open | 打开设备，准备与设备交互 |
release | 释放设备资源 |
read/write | 读写数据块 |
ioctl | 处理设备的控制命令 |
一个典型的块设备操作流程如下：
- 应用程序调用文件系统接口（如
read()）。 - 文件系统将请求传递给块设备驱动。
- 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：
| 调度算法 | 描述 |
|---|---|
| noop | 简单队列，直接顺序处理请求 |
| deadline | 以截止时间为依据，避免饥饿现象 |
| cfq | 完全公平队列，为每个进程分配I/O带宽 |
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
| 问题 | 提示 |
|---|---|
| 什么是块设备，如何与字符设备区分？ | 强调随机访问和缓冲机制。 |
| 块设备支持哪些常见操作？ | 读写、格式化、分区等。 |
如何使用dd测试块设备的性能？ | 说明dd命令的用法和性能指标的含义。 |
| 描述块设备的调度算法有哪些？各自适用的场景？ | 提及noop、deadline、cfq等调度算法。 |
| 块设备驱动实现的关键步骤是什么？ | 提及设备注册、请求队列、操作接口的实现。 |
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：
- 使用
lsblk命令熟悉系统中的块设备。 - 尝试编写一个简单的块设备驱动，体验实际开发的过程。
- 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！
