Linux操作系統中的塊設備是什么

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在Windows操作系統下磁盤設備似乎是一個實實在在的設備，我們可以通過圖形界面對磁盤設備進行管理。如圖1是Windows下的磁盤管理界面，可以通過這個界面清晰的看到磁盤設備，并且可以對其進行格式化等操作。

圖1 Windows磁盤設備

Linux操作系統的磁盤設備并不直觀，在LInux系統中“一切皆文件”的理念下，磁盤設備其實是一個文件，只不過是一個比較特殊的文件。如圖2是某些磁盤和分區的文件路徑，其中黃色字體部分是磁盤的路徑(類似文件路徑)，而前面紅色方框內的b表示這個文件是磁盤設備文件，而非普通文件。

圖2 Linux系統下磁盤設備

磁盤設備文件也是位于VFS(虛擬文件系統)下面，與Ext4等文件系統類似(參考圖3)。用戶層面可以用訪問普通文件的接口(API)訪問磁盤。如下代碼是用Python實現的一個向磁盤寫入字符串的程序。代碼很簡單，就是打開磁盤所在的路徑(path)，然后調用write函數寫數據。

Linux系統中磁盤的本質

通過上面的描述我們知道對于Linux操作系統來說，磁盤就是一個文件。而磁盤本身就是一個線性存儲空間(可以理解為一個大數組)，這種方式與文件也是非常類似的。鑒于上述相似性，Linux將磁盤設備抽象為一個文件并沒有任何不妥之處。

實質上，在Linux操作系統磁盤設備是基于一個稱為bdev的偽文件系統來管理的，bdev文件系統是一個在內存中的偽文件系統(在內存的文件系統，無持久化的數據)，位置與Ext4等文件系統相同。如圖3所示，bdev文件系統的位置為圖中紅色區域。

圖3 bdev文件系統位置

理解了塊設備的管理方式，再結合我們之前對文件系統的相關介紹，這樣就很容易理解后續的內容了。在文件系統相關文章介紹中我們知道，不同文件系統數據處理的關鍵是其提供的函數集，而這個函數集是在打開文件的時候確定的。磁盤設備也是如此，當我們打開磁盤設備時，操作系統根據磁盤設備的特性，會初始化inode中的函數集。而后續對該磁盤設備的讀寫操作就能通過該函數集完成。如下代碼所示  ，塊設備連同字符設備和管道都作為特殊的文件進行處理，并初始化對應的函數集。

完成函數集的初始化后，當用戶調用VFS層的接口時，VFS層就可以找到具體的處理函數，進而完成用戶的操作。這里的函數集與本地文件系統的函數集別無二致，差異在于普通文件系統需要管理目錄和文件，而bdev偽文件系統是將磁盤看作一個大文件，更簡單一些。

磁盤的緩存

既然磁盤偽文件系統bdev本身也是一個文件系統，因此自然也可以有緩存。這個緩存就是用于提升磁盤性能的緩存系統。磁盤的緩存系統與文件系統的緩存系統類似，也是通過頁緩存來實現的。當然，Linux磁盤的緩存是可以關閉的，此時將調用另外一套函數集。

這樣說起來可能比較抽象，下面我們以一個具體的例子來看一下磁盤緩存的具體實現。如下是磁盤偽文件系統的函數集，我們以寫數據為例進行介紹。

圖4 磁盤函數集

寫數據的函數為blkdev_write_iter，該函數會調用generic_perform_write函數。如果大家閱讀過本號關于文件系統的文件的話，很清楚后者就是VFS中向頁緩存寫數據的函數。也就是說塊設備偽文件系統的邏輯與本地文件系統完全一致。

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