Linux内核 -- Linux 的 BIO框架
深入理解 Linux 的 BIO
在 Linux 内核中，BIO（Block I/O）是块层（block layer）用于描述块设备 I/O 请求的核心数据结构。它在文件系统与块设备驱动程序之间充当“载体”，负责把数据页及相关元数据从上层提交到下层（驱动程序）并跟踪数据的读写完成情况。本文将从以下几个方面对 BIO 进行详细讲解：
- BIO 的背景与作用
- BIO 数据结构核心字段
- BIO 的生命周期
- BIO 提交与处理流程
- BIO 的常用操作接口
- BIO 与 Request 的关系
- 调试与参考
1. BIO 的背景与作用
在 Linux 内核中，块 I/O 流程大体可分为以下几个层次：
- 文件系统层：处理逻辑文件地址与块地址之间的映射，如 ext4、xfs 等。
- 通用块层（块 I/O 层）：对上层提交的 I/O 进行排队、合并、调度等处理；核心数据结构包括
struct bio、struct request、I/O 调度器等。 - 设备驱动层：与具体硬件打交道，完成真正的磁盘/SSD I/O 操作。
BIO（struct bio）最初是为实现 I/O 的“向量化”而设计的，也就是可以把多个物理页的数据聚合到同一个结构中，一起提交给下层驱动，从而减少请求次数、提高效率。BIO 通常会被进一步封装进 struct request，在完成 I/O 调度后交由驱动处理。
简言之：
- BIO：更“轻量”，描述一次 I/O 操作中需要使用的页、偏移量，以及操作类型（读/写/丢弃等）。
- Request：通常是基于 BIO 进行的更高层次的“请求”打包，经 I/O 调度器处理后才会提交给硬件。
2. BIO 数据结构核心字段
struct bio 定义位于内核源码的 include/linux/bio.h 中（不同内核版本可能略有差别）。下面列出一些关键字段，并简要说明其含义：
struct bio {
struct bio *bi_next; /* 连接在同一个请求上的其他 BIO */
struct block_device *bi_bdev; /* 目标块设备(如 /dev/sda 等) */
unsigned int bi_flags; /* BIO 标志位，如是否只读、是否是分散聚合等 */
unsigned short bi_opf; /* 操作类型和标志(op + flags)，如 READ, WRITE 等 */
sector_t bi_iter.bi_sector;
/* 起始扇区号(相对于块设备) */
struct bio_vec *bi_io_vec; /* 用于描述所涉及的物理页及其在页内偏移的数组 */
unsigned short bi_vcnt; /* 当前 bio_vec 数组中实际使用的元素数量 */
unsigned short bi_max_vecs; /* bio_vec 数组可容纳的最大元素数量 */
atomic_t __bi_remaining; /* 该 BIO 合并的多个 I/O 子请求的完成计数 */
bio_end_io_t *bi_end_io; /* I/O 完成回调函数 */
void *bi_private; /* 供结束回调使用的私有数据 */
/* ... 其他字段略 ... */
};
关键字段解释
bi_bdev：指明目标块设备。bi_opf：表示具体操作类型（读写/丢弃/刷新等）以及操作标志（同步/分散聚合等）。bi_iter.bi_sector：起始扇区号（逻辑扇区），BIO 需要从设备的哪个扇区开始进行操作。bi_io_vec：BIO 使用的 page + offset + length 向量数组，指向内核中实际的数据页。- 其中
struct bio_vec包含bv_page,bv_offset,bv_len。
- 其中
bi_end_io：BIO 完成时的回调函数。BIO 最终完成时需要调用此函数来通知上层操作结束。__bi_remaining：用于 BIO 的引用计数或子请求计数（在存在分片/拆分时很关键）。bi_private：在提交时设置的私有数据指针，通常在完成回调时用于传递上下文。
3. BIO 的生命周期
1. 申请/初始化（Allocation / Initialization）
- 上层调用
bio_alloc或bio_kmalloc等接口分配struct bio结构。 - 初始化关键字段，例如
bi_bdev,bi_opf,bi_end_io等。
2. 添加数据（Attach Data）
- 使用
bio_add_page或__bio_add_page将数据页添加到bio->bi_io_vec中。 - 如果空间不足，BIO 需要拆分成多个 BIO。
3. 提交（Submit）
- 数据页添加完毕后，通过
submit_bio或类似接口将 BIO 提交到块层。
4. 执行 I/O（I/O Execution in Driver）
- 底层驱动程序从调度层获取 BIO，进行实际硬件读写操作。
5. 完成回调（Completion）
- 硬件完成 I/O 后，驱动层调用
bio->bi_end_io回调函数，通知操作完成。 - 回调函数负责处理错误码、统计信息等，之后释放 BIO。
4. BIO 提交与处理流程
下面给出一个简化的 BIO 提交流程图：
+-----------------+
| 文件系统/上层 |
+--------+--------+
|
| bio_alloc/...
v
+-----------------+
| 组装 BIO |
| (pages, etc.) |
+--------+--------+
|
| submit_bio()
v
+-----------------+
| 通用块层/队列 | <-- 此阶段可能进行合并、调度等
+--------+--------+
|
| 提交到驱动
v
+-----------------+
| 硬件驱动层 |
+--------+--------+
|
| 硬件完成操作
v
+-----------------+
| bio->bi_end_io()|
+-----------------+
5. BIO 的常用操作接口
1. 分配与初始化
-
struct bio *bio_alloc(gfp_t gfp_mask, int nr_iovecs)
分配一个新的 BIO，支持最多nr_iovecs个bio_vec。 -
void bio_init(struct bio *bio, struct bio_vec *table, unsigned short maxvecs)
初始化一个已分配的 BIO。
2. 添加数据
int bio_add_page(struct bio *bio, struct page *page, unsigned int len, unsigned int offset)
将一个 page 的部分范围添加到 BIO。
3. 提交 BIO
void submit_bio(struct bio *bio)
将 BIO 提交给块层处理。
4. 结束回调
void (*bio_end_io_t)(struct bio *bio)
BIO 完成后调用的回调函数。
6. BIO 与 Request 的关系
- BIO 是对要传输数据的描述，而 Request 是更高层次的请求封装。
- 一个 Request 可以包含多个 BIO，方便进行合并和调度。
- 调度器对 Request 进行排序后，提交给硬件驱动。
7. 调试与参考
调试
- 使用
CONFIG_DEBUG_BLOCK_EXT_DEVT等内核调试选项。 - 通过
ftrace或bpftrace跟踪 BIO 提交和完成过程。
源码参考
include/linux/bio.hblock/blk-core.cblock/blk-mq.c
总结
BIO 是 Linux 块 I/O 子系统的核心数据结构，用于描述一次 I/O 操作的页、扇区及元数据。它与 Request 紧密结合，共同完成从文件系统到硬件设备的 I/O 传输任务。掌握 BIO 的结构与生命周期对开发文件系统、块设备驱动以及优化性能非常重要。
原文地址：https://blog.csdn.net/sz66cm/article/details/145307031
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