【Linux驱动】块设备驱动（二）—— 块设备读写（使用请求队列）

块设备的操作函数并没有类似于字符驱动中的read 和write函数，要实现读写操作，只能在请求处理函数中实现。这就分为两种，是否要使用请求队列，请求队列的主要作用是管理和调度IO请求。在以下情况中，一般需要用到请求队队列：

• 多任务环境：多个任务同时对存储设备进行读写，请求队列可以对IO请求进行排序和调度
• 磁盘优化：磁盘是一种机械设备，其IO操作需要进行磁盘寻道等操作，非常耗时，请求队列可以将多个IO请求进行合并，可以减少磁盘的寻道次数，提高磁盘的吞吐量。

因此，本篇的重点便是使用请求队列来实现块设备的读写操作。

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目录

一、请求处理函数的触发条件

二、从请求队列获取请求

三、开始进行读写操作

1、请求的结构

2、相关API

四、关闭请求

五、完整代码

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一、请求处理函数的触发条件

若要对块设备进行读写操作，需要触发请求处理函数，随后块设备驱动才会调度并处理请求。那么在什么情况下会触发请求处理函数？以下是读写操作的常见触发条件。

读操作

一般涉及到访问文件内容、文件属性、文件权限的时候，会触发请求处理函数中的读操作。

① 读取数据

当应用程序执行文件读取操作（如 read 函数）时，它会向文件系统发送读取请求，并触发请求处理函数中的读操作。每一个请求内包含源数据（块设备扇区地址、读取字节数）以及目的地址（内存页地址、页偏移）。文件系统从块设备读取相应的文件块数据，并将其返回给应用程序。

② 目录遍历

当应用程序执行目录遍历操作（如 opendir、readdir 函数等）时，文件系统会在磁盘上读取目录的元数据，并返回给应用程序。

③打开文件

当应用程序打开一个文件时，文件系统需要读取磁盘上的文件元数据信息，如文件大小、访问权限等，以供应用程序使用。

写操作

一般涉及到文件内容的更新、文件创建等操作时，会触发请求处理函数中的写操作。

① 文件内容写入（追加、更新）

文件内容的写入（write）和追加（append）会向文件系统发送写入请求，并触发请求触发函数中的写操作。每一个请求内包含源数据（内存页地址、页偏移）以及目的地址（块设备扇区地址），文件系统会将应用程序提供的数据写入到指定扇区。

此外，除了文件内容的更新，文件属性（如访问权限）的更新也会触发请求处理函数。

② 文件创建

当应用程序创建一个新文件时，它会向文件系统发送创建文件的请求，并触发请求处理函数中的写操作。文件系统在磁盘上为新文件分配空间，并更新文件的元数据信息。

二、从请求队列获取请求

接下来便是正式开始实现请求处理函数，函数的形参为请求队列，对此，下面的第一步便是从请求队列中获取请求。涉及的API 在 中

void request_handle(struct request_queue *q);

① 方式一：获取 + 开启请求

正常来说，获取请求包含两步，第一步是获取请求，使用的API为 blk_peek_request

/**
 * @param q 请求队列
 * @return 成功返回获取到的请求结构体地址，失败返回 NULL
 */
struct request *blk_peek_request(struct request_queue *q);

获取到请求以后，还没结束，需要开启请求，目的是将通知硬件设备开始处理当前请求，同时将当前请求标记为启动状态，以确保请求在处理的过程中不会被打断。其他还有数据预处理、设备准备等原因。

/**
 * @param rq 获取到的请求
 */
void blk_start_request(struct request *rq);

② 方式二：一步到位

Linux内核提供了获取 + 开启一步到位的方式，使用的API为 blk_fetch_request，该函数其实就是对上述两个函数的使用做了一层封装。

/**
 * @param q 请求队列
 * @return 成功返回获取到的请求结构体地址，失败返回 NULL
 */
struct request *blk_fetch_request(struct request_queue *q);
/*
struct request *blk_fetch_request(struct request_queue *q)
{
    struct request *rq;

    rq = blk_peek_request(q);
    if (rq)
        blk_start_request(rq);
    return rq;
}
*/

三、开始进行读写操作

在开始读写操作之前，需要先了解每一个请求的结构，因为既然要进行读写操作，我们需要知道源数据地址、目的地址、操作的字节数等信息。

1、请求的结构

每个request 中保存了多个 bio，bio保存着最终要读写的数据、地址等信息。bio 中的 bvec_iter 保存了块设备扇区起始地址、扇区大小等信息，bio 中的 bio_vec 保存了 RAM 页地址、剩余页长度以及页偏移等信息。

下面是 bio、bio_iter 和 bio_vec 三者之间的关系

2、相关API

获得扇区起始地址

/**
 * @param rq 指向请求结构体的指针
 * @return   成功返回获取到的扇区起始地址
 */
sector_t blk_rq_pos(const struct request *rq);

 获取请求所涉及的数据长度

/**
 * @param rq 指向请求结构体的指针
 * @return   成功返回数据长度，单位：字节
 */
unsigned int blk_rq_bytes(const struct request *rq);

获取指定数据页的线性地址，即 RAM 中的起始页地址

/**
 * @param bio 指向bio结构体的指针
 * @return    成功返回指向指定数据页的地址
 */
void *bio_data(struct bio *bio);

获取当前请求的数据传输方向（读操作、写操作）

/**
 * @param rq 指向请求结构体的指针
 * @return   返回数据传输方向。可以是 READ / WRITE
 */
int rq_data_dir(struct request *rq);

四、关闭请求

与前面开启请求相对应，开启请求后将当前请求标记为开启状态，以确保在处理请求的过程中不会被打断；关闭请求意味着该请求的数据传输和相关操作已经完成，主要目的有两点：

• 通知请求完成：通知相关的应用程序或调用者操作已经结束，允许继续执行后续的操作
• 资源释放：在请求处理完成后，需要释放请求所占用的内存和其他资源，以便系统能够重新利用这些资源。

这里可以使用 __blk_end_request_cur 或者 blk_end_request_cur，两个函数的使用方法完全一样，他们之间的区别在于

① __blk_end_request_cur

__blk_end_request_cur是一个异步函数，它会立即结束当前的 I/O 请求，并触发相应的回调函数（例如，end_io）来进行后续处理。这意味着调用 __blk_end_request_cur 并不会等待请求的处理完成，而是立即返回，将请求的处理交给后续的回调函数来处理。

② blk_end_request_cur

blk_end_request_cur 与上面相反，是一个同步函数，它会等待当前的 I/O 请求的处理完成，并在处理完成后返回。它会等待直到请求的 end_io 回调函数执行完毕，或者出现超时或错误等情况。因此，在调用 blk_end_request_cur 的过程中，它会阻塞当前的执行线程，直到请求处理完成。

/**
 * @param rq     指向请求结构体的指针
 * @param error  代表请求处理结果，
 *               - 若请求处理成功，应该将 error 设置为 0
 *               - 若请求处理失败，则可以设置为其他非零值。
 */
bool __blk_end_request_cur(struct request *rq, int error);

五、完整代码

将驱动代码重新编译并加入到内核，输入 fdisk -l，我们会发现请求处理函数被触发了，因为 fdisk -l 用于列出当前系统中所有的磁盘分区信息，在扫描设备的过程中，会涉及块设备的访问和信息读取，这就导致了请求处理函数被触发。

void request_handle(struct request_queue *q)
{
    printk("请求处理函数被触发!\n");

    struct request* req;                // 处理请求
    int errors = 0;                     // 请求处理状态
    sector_t start = 0;                 // 操作扇区的起始地址
    int len = 0;

    while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL)
    {
        // 获得扇区起始地址
        start = blk_rq_pos(req);
        // 当前请求所涉及的字节数
        len = blk_rq_cur_bytes(req);
        // 获得bio结构体中的缓冲区指针
        void* buffer = bio_data(req->bio);
        
        // 判断是读操作还是写操作
        if (rq_data_dir(req) == READ)
        {
            memcpy((uint8_t*)buffer, blkdev.diskbuf, len);
            printk("从块设备读数据\n");
        }
        else if(rq_data_dir(req) == WRITE)
        {
            memcpy(blkdev.diskbuf, (uint8_t*)buffer, len);
            printk("向块设备写数据\n");
        }
        
        // 结束当前请求
        __blk_end_request_cur(req, errors);
    }
}