Глава 13 Уровень блочного ввода-вывода

Глава 13

Уровень блочного ввода-вывода

Устройства блочного ввода-вывода (блочные устройства, устройства ввода-вывода блоками, block devices) — это аппаратные устройства, которые позволяют случайным образом (т.е. не обязательно последовательно) осуществлять доступ к фрагментам данных фиксированного размера, называемых блоками. Наиболее часто встречающееся устройство блочного ввода-вывода — это жесткий диск, но существуют и другие блочные устройства, например устройства работы с гибкими дисками, оптическими компакт-дисками (CD-ROM) и флеш-памятью. Следует обратить внимание, что файловые системы монтируются с таких устройств. Именно таким образом обычно и осуществляется доступ к устройствам блочного ввода-вывода.

Другой фундаментальный тип устройства — это устройство посимвольного ввода-вывода (символьное устройство, character device, char device). Это — устройство, к которому можно обращаться, только как к последовательному потоку данных, т.е. байт за байтом. Пример символьных устройств — это последовательный порт и клавиатура. Если же устройство позволяет обращаться к данным случайным образом (не последовательно), то это блочное устройство.

Существенное различие между этими типами устройств проявляется, в основном, в возможности случайного доступа к данным, т.е. в возможности производить поиск (seek) по устройству, перемещаясь из одной позиции в другую. Как пример, рассмотрим клавиатуру. Драйвер устройства клавиатуры на выходе выдает поток данных. Когда печатают слово "fox", то драйвер клавиатуры возвращает поток данных, в котором три символа идут строго в указанном порядке. Считывание символов в другом порядке или считывание какого-нибудь другого символа, кроме следующего символа в потоке, имеет немного смысла. Поэтому драйвер клавиатуры — это устройство посимвольного ввода-вывода, он позволяет на выходе получить поток символов, которые пользователь вводит на клавиатуре. Операция чтения данных с устройства возвращает сначала символ "f", затем символ "о" и в конце символ "x". Когда нажатий клавиш нет, то поток — пустой. Жесткий диск же работает по-другому. Драйвер жесткого диска может потребовать чтения содержимого определенного блока, а затем прочитать содержимое другого блока, и эти блоки не обязательно должны следовать друг за другом. Поэтому доступ к данным жесткого диска может выполняться случайным образом, а не как к потоку данных, и поэтому жесткий диск — блочное устройство.

Управление блочными устройствами в ядре требует большего внимания, подготовки и работы, чем управление устройствами посимвольного ввода-вывода. Все это потому, что символьные устройства имеют всего одну позицию — текущую, в то время как блочные устройства должны иметь возможность перемещаться туда и обратно между любыми позициями на физическом носителе информации. Оказывается, что нет необходимости создавать в ядре целую подсистему для обслуживания символьных устройств, а для блочных устройств это необходимо. Такая подсистема необходима отчасти из-за сложности блочных устройств. Однако основная причина такой мощной поддержки в том, что блочные устройства достаточно чувствительны к производительности. Выжать максимум производительности из жесткого диска значительно важнее, чем получить некоторый прирост скорости при работе с клавиатурой. Более того, как будет видно дальше, сложность блочных устройств обеспечивает большой простор для таких оптимизаций. Предмет данной главы — как ядро управляет работой блочных устройств и запросами к этим устройствам. Рассматриваемая часть ядра называется уровнем, блочного ввода-вывода (block I/O layer). Интересно, что усовершенствование подсистемы блочного ввода-вывода было одной из целей разрабатываемой серии ядра 2.5. В этой главе рассматриваются все новые особенности уровня блочного ввода-вывода, которые появились в ядрах серии 2.6.