一篇文章理解Linux操作系统中的块设备

块设备也就是存储以“块”为单位存储数据的设备，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，其他设备类型很类似，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（类似文件路径），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。

图2 Linux系统下磁盘设备

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（参考图3）。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。

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。

图3 bdev文件系统位置

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。

完成函数集的初始化后，当用户调用VFS层的接口时，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bdev伪文件系统是将磁盘看作一个大文件，更简单一些。

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。

图4 磁盘函数集

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。缓存部分点到为止，具体代码请大家自行阅读。

好了，今天我们主要对Linux的磁盘设备的原理及其缓存进行了介绍。后续我们再逐步进行各种特性的细节。