理解Linux操作系统中的块设备

本文主要是介绍理解Linux操作系统中的块设备，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

块设备也就是存储以“块”为单位数据的设备，比较典型的如磁盘设备、光盘或者优盘。本文首先集中在磁盘设备的相关内容的分析，其它设备类型很类似，暂时不做介绍。 在Windows操作系统下磁盘设备似乎是一个实实在在的设备，我们可以通过图形界面对磁盘设备进行管理。如图1是Windows下的磁盘管理界面，可以通过这个界面清晰的看到磁盘设备，并且可以对其进行格式化等操作。

图1 Windows磁盘设备

Linux操作系统的磁盘设备并不直观，在LInux系统中“一切皆文件”的理念下，磁盘设备其实也是一个文件，只不过是一个比较特殊的文件。如图2是某些磁盘和分区的文件路径，其中黄色字体部分是磁盘的路径，而前面红色方框内的b表示这个文件是磁盘设备文件，而非普通文件。

磁盘设备文件也是位于VFS（虚拟文件系统）下面，与Ext4等文件系统类似。用户层面可以用访问普通文件的接口（API）访问磁盘。如下代码是用Python实现的一个向磁盘写入字符串的程序。代码很简单，就是打开磁盘所在的路径（path），然后调用write函数写数据。

import os, sys 

def write_file(filename, data):
        fd = file(filename, "a+")
        fd.write(data)
        fd.close()

write_file("/dev/sdb", "itworld123")

Linux系统中磁盘的本质

通过上面的描述我们知道对于Linux操作系统来说，磁盘就是一个文件。而磁盘本身就是一个线性存储空间（可以理解为一个大数组），这种方式与文件也是非常类似的。鉴于上述相似性，Linux将磁盘设备抽象为一个文件并没有任何不妥之处。 实质上，在Linux操作系统磁盘设备是基于一个称为bdev的伪文件系统来管理的，bdev文件系统是一个在内存中的伪文件系统（在内存的文件系统，无持久化的数据），位置与Ext4等文件系统相同。如图3所示，bdev文件系统的位置为图中红色区域。

理解了块设备的管理方式，再结合我们之前对文件系统的相关介绍，这样就很容易理解后续的内容了。在文件系统相关文章介绍中我们知道，不同文件系统数据处理的关键是其提供的卖手机游戏账号地图函数集，而这个函数集是在打开文件的时候确定的。磁盘设备也是如此，当我们打开磁盘设备时，操作系统根据磁盘设备的特性，会初始化inode中的函数集。而后续对该磁盘设备的读写操作就能通过该函数集完成。如下代码所示 ，块设备连同字符设备和管道都作为特殊的文件进行处理，并初始化对应的函数集。

void init_special_inode(struct inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev)
{
    inode->i_mode = mode;
    if (S_ISCHR(mode)) {
        inode->i_fop = &def_chr_fops;
        inode->i_rdev = rdev;
    } else if (S_ISBLK(mode)) {  /*块设备函数集*/
        inode->i_fop = &def_blk_fops;
        inode->i_rdev = rdev;
    } else if (S_ISFIFO(mode))
        inode->i_fop = &pipefifo_fops;
... ...

完成函数集的初始化后，当用户调用VFS层的接口是，VFS层就可以找到具体的处理函数，进而完成用户的操作。这里的函数集与本地文件系统的函数集别无二致，差异在于普通文件系统需要管理目录和文件，而这里是将磁盘看作一个大文件。

磁盘的缓存

既然磁盘伪文件系统bdev本身也是一个文件系统，因此自然也可以有缓存。这个缓存就是用于提升磁盘性能的缓存系统。磁盘的缓存系统与文件系统的缓存系统类似，也是通过页缓存来实现的。当然，Linux磁盘的缓存是可以关闭的，此时将调用另外一套函数集。 这样说起来可能比较抽象，下面我们以一个具体的例子来看一下磁盘缓存的具体实现。如下是磁盘伪文件系统的函数集，我们以写数据为例进行介绍。

写数据的函数为blkdev_write_iter，该函数会调用generic_perform_write函数。如果大家阅读过本号关于文件系统的文件的话，很清楚后者就是VFS中向页缓存写数据的函数。也就是说块设备伪文件系统的逻辑与本地文件系统完全一致。

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