块设备是Linux三大设备之一，其驱动模型主要针对磁盘，Flash等存储类设备，块设备（blockdevice）是一种具有一定结构的随机存取设备，对这种设备的读写是按块(所以叫块设备)进行的，他使用缓冲区来存放暂时的数据，待条件成熟后，从缓存一次性写入设备或者从设备一次性读到缓冲区。作为存储设备，块设备驱动的核心问题就是哪些page->segment->block->sector与哪些sector有数据交互，本文以3.14为蓝本，探讨内核中的块设备驱动模型。
框架下图是Linux中的块设备模型示意图，应用层程序有两种方式访问一个块设备：/dev和文件系统挂载点，前者和字符设备一样，通常用于配置，后者就是我们mount之后通过文件系统直接访问一个块设备了。
read()系统调用最终会调用一个适当的VFS函数(read()-->sys_read()-->vfs_read())，将文件描述符fd和文件内的偏移量offset传递给它。
VFS会判断这个SCI的处理方式，如果访问的内容已经被缓存在RAM中（磁盘高速缓存机制），就直接访问，否则从磁盘中读取
为了从物理磁盘中读取，内核依赖映射层mapping layer，即上图中的磁盘文件系统
确定该文件所在文件系统的块的大小，并根据文件块的大小计算所请求数据的长度。本质上，文件被拆成很多块，因此内核需要确定请求数据所在的块
映射层调用一个具体的文件系统的函数，这个层的函数会访问文件的磁盘节点，然后根据逻辑块号确定所请求数据在磁盘上的位置。
内核利用通用块层(generic block layer)启动IO操作来传达所请求的数据，通常，一个IO操作只针对磁盘上一组连续的块。
IO调度程序根据预先定义的内核策略将待处理的IO进行重排和合并
块设备驱动程序向磁盘控制器硬件接口发送适当的指令，进行实际的数据操作
作为一种存储设备，和字符设备相比，块设备有以下几种不同：
字符设备块设备1byte 块，硬件块各有不同，但是内核都使用512byte描述
顺序访问 随机访问
没有缓存，实时操作 有缓存，不是实时操作
一般提供接口给应用层 块设备一般提供接口给文件系统
是被用户程序调用 由文件系统程序调用
此外，大多数情况下，磁盘控制器都是直接使用DMA方式进行数据传送。
IO调度就是电梯算法。我们知道，磁盘是的读写是通过机械性的移动磁头来实现读写的，理论上磁盘设备满足块设备的随机读写的要求，但是出于节约磁盘，提高效率的考虑，我们希望当磁头处于某一个位置的时候，一起将最近需要写在附近的数据写入，而不是这写一下，那写一下然后再回来，IO调度就是将上层发下来的IO请求的顺序进行重新排序以及对多个请求进行合并，这样就可以实现上述的提高效率、节约磁盘的目的。这种解决问题的思路使用电梯算法，一个运行中的电梯，一个人20楼->1楼，另外一个人15->5楼，电梯不会先将第一个人送到1楼再去15楼接第二个人将其送到5楼，而是从20楼下来，到15楼的时候停下接人，到5楼将第二个放下，最后到达1楼，一句话，电梯算法最终服务的优先顺序并不按照按按钮的先后顺序。Linux内核中提供了下面的几种电梯算法来实现IO调度：
No-op I/O scheduler只实现了简单的FIFO的，只进行最简单的合并，比较适合基于Flash的存储
Anticipatory I/O scheduler推迟IO请求(大约几个微秒)，以期能对他们进行排序，获得更高效率
Deadline I/O scheduler试图把每次请求的延迟降到最低，同时也会对BIO重新排序，特别适用于读取较多的场合，比如数据库
CFQ I/O scheduler为系统内所有的任务分配均匀的IO带宽，提供一个公平的工作环境，在多媒体环境中，能保证音视频及时从磁盘中读取数据，是当前内核默认的调度器
我们可以通过内核传参的方式指定使用的调度算法
kernel elevator=deadline或者，使用如下命令改变内核调度算法
echo SCHEDULER > /sys/block/DEVICE/queue/scheduler Page->Segment->Block->Sector VS SectorVS左面的是数据交互中的内存部分，Page就是内存映射的最小单位; Segment就是一个Page中我们要操作的一部分，由若干个相邻的块组成; Block是逻辑上的进行数据存取的最小单位，是文件系统的抽象，逻辑块的大小是在格式化的时候确定的, 一个 Block 最多仅能容纳一个文件（即不存在多个文件同一个block的情况）。如果一个文件比block小，他也会占用一个block，因而block中空余的空间会浪费掉。而一个大文件，可以占多个甚至数十个成百上千万的block。Linux内核要求 Block_Size = Sector_Size * (2的n次方)，并且Block_Size <= 内存的Page_Size(页大小）, 如ext2 fs的block缺省是4k。若block太大，则存取小文件时，有空间浪费的问题；若block太小，则硬盘的 Block 数目会大增，而造成 inode 在指向 block 的时候的一些搜寻时间的增加，又会造成大文件读写方面的效率较差，block是VFS和文件系统传送数据的基本单位。block对应磁盘上的一个或多个相邻的扇区，而VFS将其看成是一个单一的数据单元，块设备的block的大小不是唯一的，创建一个磁盘文件系统时，管理员可以选择合适的扇区的大小，同一个磁盘的几个分区可以使用不同的块大小。此外，对块设备文件的每次读或写操作是一种"原始"访问，因为它绕过了磁盘文件系统，内核通过使用最大的块(4096)执行该操作。Linux对内存中的block会被进一步划分为Sector，Sector是硬件设备传送数据的基本单位，这个Sector就是512byte，和物理设备上的概念不一样，如果实际的设备的sector不是512byte，而是4096byte(eg SSD)，那么只需要将多个内核sector对应一个设备sector即可
VS右边是物理上的概念，磁盘中一个Sector是512Byte，SSD中一个Sector是4K
核心结构与方法简述 核心结构gendisk是一个物理磁盘或分区在内核中的描述
block_device_operations描述磁盘的操作方法集，block_device_operations之于gendisk，类似于file_operations之于cdev
request_queue对象表示针对一个gendisk对象的所有请求的队列，是相应gendisk对象的一个域
request表示经过IO调度之后的针对一个gendisk(磁盘)的一个"请求"，是request_queue的一个节点。多个request构成了一个request_queue
bio表示应用程序对一个gendisk(磁盘)原始的访问请求，一个bio由多个bio_vec，多个bio经过IO调度和合并之后可以形成一个request。