Linux下编写一个ramdisk块设备驱动及建立一个ext4文件系统

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     本博文参考ldd3实现一个内存虚拟磁盘，它的通过块设备驱动申请一些内存用作“磁盘容量”并将该磁盘格式化为ext4文件系统，实现和正常磁盘无异的文件创建、存放。

源码地址:https://github.com/Mr-jinfa/rk3399-project/tree/master/drv/ramdisk

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     块设备是与字符设备并列的概念，这两类设备在Linux 中的驱动结构有较大差异，总体而言，块设备驱动比字符设备驱动要复杂得多，在I/O 操作上也表现出极大的不同。缓冲、I/O 调度、请求队列等都是与块设备驱动相关的概念。

块设备的I/O 操作特点：
1）块设备只能以数据块为单位接收输入和返回输出，而字符设备则以字节为单位。
2）块设备对于I/O 请求有对应的缓冲区，因此它们可以选择以什么顺序进行响应。对于存储设备而言，调整读写的顺序作用巨大，因为在读写连续的扇区的存储速度比分离的扇区更快。
3）字符设备只能被顺序读写，而块设备可以随机访问。顺序地组织块设备的访问可以提高性能，对扇区1、10、3、2 的请求被调整为对扇区1、2、3、10 的请求将大大提升数据读取速率。

总的来说，字符设备适应IO流不大的情况，块设备适应IO流连续、繁忙的情况。

      对于块设备驱动Linux有专门api来辅助我们实现，我们只需在这些api基础上实现块设备驱动达到管理“存储硬件”就好了。
设备驱动的本质就是管理硬件、提升硬件性能。

      对于ramdisk 这种完全随机访问的非机械设备，并不需要进行复杂的I/O 调度。所以，我们可以绕开I/O调度层。

Linux文件系统和块设备--ramdisk关系：

文件系统到ramdisk磁盘的数据流--块设备数据操作流程图:

    块设备满足文件系统的读写操作的"请求处理函数"流程
1：使用blk_fetch_request循环地从请求队列中提取一个个请求并处理。
2：使用__rq_for_each_bio循环地从请求中提取一个个bio并处理。
3：使用bio_for_each_segment循环地从bio中提取一个个segment(扇区)并处理。
3.1：使用__bio_kmap_atomic获得一个扇区的缓冲区。
3.2：用上面的缓冲区作为中介处理扇区中需要操作的数据。
3.3：释放该缓冲区
4：一个请求完成文件系统报__blk_end_request_all(req, 0);

使用块设备&调试信息：

1. insmod ramblock_drv.ko 
2. # ls -l /dev/ramblock 
brw-rw----    1 root     disk      252,   0 Jan 18 08:53 /dev/ramblock
3. cat /proc/devices
	Block devices:
	179 mmc
	252 sbull	//找到我们的驱动
	253 nvme
4. mkfs.ext4 /dev/ramblock 
mke2fs 1.43.9 (8-Feb-2018)
[  437.834369] do_ramblock_request read  1
...
Filesystem too small for a journal
[  437.844949] do_ramblock_request read  17
Creating filesystem with 512 1k blocks and 64 inodes

Allocating group tables: done                            
Writing inode tables: done                            
[  437.847527] do_ramblock_request read  18
...
[  437.849576] do_ramblock_request read  22
Writing superblocks and filesystem accounting information: [  437.850436] do_ramblock_request read  23
[  437.851221] do_ramblock_request write 1
...
[  437.859029] do_ramblock_request write 23
[  437.859552] do_ramblock_request write 24
done

5. mkdir tmp1 && mount /dev/ramblock tmp1/
[  550.294217] do_ramblock_request read  24
[  550.294745] EXT4-fs (ramblock): couldn't mount as ext3 due to feature incompatibilities
[  550.295719] do_ramblock_request read  25
[  550.296140] EXT4-fs (ramblock): couldn't mount as ext2 due to feature incompatibilities
[  550.297055] do_ramblock_request read  26
...
[  550.299880] do_ramblock_request write 25
[  550.301078] EXT4-fs (ramblock): mounted filesystem without journal. Opts: (null)

6. mount
/dev/ramblock on /run/tmp1 type ext4 (rw,relatime,block_validity,delalloc,barrier,user_xattr,acl)

7. cd tmp1/lost\+found/ && echo 123 >> hello.txt
[  641.555232] do_ramblock_request read  31
....
[  641.562480] do_ramblock_request read  43
...
[  645.422579] do_ramblock_request write 35
...

8. 退出到根目录 && umount tmp1/
[  777.374609] do_ramblock_request write 38

9. 再mount 
#mount /dev/ramblock tmp1/

10. 查看hello.txt是否还在
#cat tmp1/lost\+found/hello.txt 
123

    具体程序请看提供的源码，源码的注释还是很清楚的。