block I/O之bio结构

bio结构简介

bio结构就是kernel中block I/O的基础容器，它是在”linux/bio.h”中被定义的。这个结构将当前激活的block I/O操作表示为一个segment的list。segment就是内存中一块连续的buffer。因此，个别的buffer在内存中不需要连续。为了使buffer可以组成块，bio结构可以将内存多处组成一个buffer，并使kernel在该buffer上进行block I/O操作。这样的I/O被称为scatter-gather I/O。

bio的struct分析

下面是在”linux/bio.h”中定义的bio的struct：

struct bio {
    sector_t             bi_sector;         /* associated sector on disk */
    struct bio           *bi_next;          /* list of requests */
    struct block_device  *bi_bdev;          /* associated block device */
    unsigned long        bi_flags;          /* status and command flags */
    unsigned long        bi_rw;             /* read or write? */
    unsigned short       bi_vcnt;           /* number of bio_vecs off */
    unsigned short       bi_idx;            /* current index in bi_io_vec */
    unsigned short       bi_phys_segments;  /* number of segments after coalescing */
    unsigned short       bi_hw_segments;    /* number of segments after remapping */
    unsigned int         bi_size;           /* I/O count */
    unsigned int         bi_hw_front_size;  /* size of the first mergeable segment */
    unsigned int         bi_hw_back_size;   /* size of the last mergeable segment */
    unsigned int         bi_max_vecs;       /* maximum bio_vecs possible */
    struct bio_vec       *bi_io_vec;        /* bio_vec list */
    bio_end_io_t         *bi_end_io;        /* I/O completion method */
    atomic_t             bi_cnt;            /* usage counter */
    void                 *bi_private;       /* owner-private method */
    bio_destructor_t     *bi_destructor;    /* destructor method */
};

bio结构的主要作用就是表示一个正在使用的block I/O操作。因此，在这个结构中最重要的属性是与日常管理相关的，分别是bi_io_vecs, bi_vcnt和bi_idx。下图中展示了struct bio, strcut bio_vec与struct page之间的联系：

其中，bi_io_vecs属性指向了一个bio_vec结构的数组。这些结构用于表示一列特殊block I/O操作的特定segments。每一个bio_vec都是一个”page, offset, len”形式的向量，描述了一个特定的segment。其中的page表示这个segment所在的物理页，offset表示这个block相对于所在页的偏移量，len则是这个block从该偏移量开始的长度。由这些向量组成的整个数组表示了这个完整的buffer。
bio_vec结构在”linux/bio.h”中是这样被定义的：

struct bio_vec {
    /* pointer to the physical page on which this buffer resides */
    struct page     *bv_page;

    /* the length in bytes of this buffer */
    unsigned int    bv_len;

    /* the byte offset within the page where the buffer resides */
    unsigned int    bv_offset;
};

对于每个给定的block I/O操作，在bio_vec数组中，都会有从bi_io_vecs开始的bi_vcnt向量。当这个block i/o操作被执行，bi_idx属性就会是想数组中当前的index。

总的来说，每一个block I/O请求都会被一个bio结构表示。每一个请求都由一个或多个block组成，并存储在一组bio_vec结构中。这些结构用向量表示，并描述了每个segment在内存物理页中的地址。I/O操作中的第一个setment使用b_io_vec进行指引。之后添加的segment都连接在第一个segment之后，形成segment的list: bi_vcnt。当block I/O层在请求中提交segments，bi_idx属性就会被更新并指向当前的segment。