2. 块设备的抽象与核心数据结构

块设备子系统的核心是面向对象的抽象设计，把不同厂商、不同类型的块设备，抽象为统一的内核对象，向上提供无差别的访问接口。本章节基于Linux 6.6内核源码（定义在include/linux/blkdev.h/include/linux/genhd.h），完整拆解核心数据结构。

2.1 顶层磁盘抽象：struct gendisk

struct gendisk（通用磁盘结构体）是Linux内核对一个块设备的最高级抽象，代表一个独立的磁盘设备（比如/dev/sda、/dev/nvme0n1），无论是物理磁盘、分区、逻辑卷、RAID阵列，在内核中都对应一个gendisk实例。

每个块设备在内核中有且仅有一个gendisk实例，它包含了块设备的所有核心信息：设备名称、设备号、容量、IO队列、操作函数集、分区信息、驱动私有数据。

2.1.1 核心字段拆解

struct gendisk {
    // 磁盘设备名称，对应/dev下的设备节点名，如"sda"、"nvme0n1"
    char disk_name[DISK_NAME_LEN];
    // 磁盘完整设备号，32位：高12位主设备号，低20位次设备号
    dev_t devt;
    // 主设备号：标识设备驱动类型，如8=SATA磁盘，259=NVMe磁盘
    int major;
    // 起始次设备号：标识同驱动下的不同设备
    int first_minor;
    // 次设备号数量：通常16，对应单磁盘最多15个分区
    int minors;

    // 磁盘的IO请求队列，所有IO请求的必经之路
    struct request_queue *queue;
    // 块设备操作函数集，驱动实现的标准接口
    const struct block_device_operations *fops;
    // 磁盘类型标志，如可移动设备、隐藏设备
    unsigned long flags;

    // 磁盘总容量，单位：512字节扇区（内核统一寻址单位）
    sector_t capacity;
    // 磁盘逻辑块大小，操作系统最小访问单元，通常512/4096字节
    unsigned int logical_block_size;
    // 磁盘物理块大小，硬件最小写入单元，现代存储默认4096字节
    unsigned int physical_block_size;
    // 硬件支持的最大IO大小，单位512字节扇区
    unsigned int max_hw_sectors;
    // 磁盘最优IO大小，对应RAID条带大小
    unsigned int optimal_io_size;

    // 分区表管理：磁盘所有分区的信息
    struct disk_part_tbl __rcu *part_tbl;
    // 整个磁盘对应的分区结构体（分区0）
    struct hd_struct part0;

    // 驱动私有数据，驱动可存储自定义上下文
    void *private_data;
    // 所属驱动模块，用于模块引用计数管理
    struct module *owner;
    // 对应设备模型的device结构体，支撑sysfs接口
    struct device *to_dev;
    // 热插拔、介质变化事件的工作队列
    struct work_struct event_work;
} __randomize_layout;

2.1.2 核心字段深度解析

struct block_device_operations {
    // 打开块设备
    int (*open) (struct block_device *, fmode_t);
    // 关闭块设备
    void (*release) (struct gendisk *, fmode_t);
    // 设备配置、参数查询的ioctl接口
    int (*ioctl) (struct block_device *, fmode_t, unsigned, unsigned long);
    // 检查介质是否变化（如U盘插拔）
    int (*media_changed) (struct gendisk *);
    // 介质变化后重新验证磁盘
    int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
    // BIO提交入口，驱动实现的IO下发逻辑
    void (*submit_bio)(struct bio *bio);
    // 磁盘刷新操作，对应fsync，强制缓存数据落盘
    int (*flush_disk)(struct gendisk *);
};

2.2 块设备实例：struct block_device

struct block_device {
    // 对应分区的hd_struct结构体
    struct hd_struct *bd_part;
    // 所属的全局gendisk实例
    struct gendisk *bd_disk;
    // 设备号，唯一标识这个块设备
    dev_t bd_dev;
    // 设备打开计数，记录有多少进程打开了这个设备
    int bd_openers;
    // 设备节点对应的inode
    struct inode *bd_inode;
    // 设备总大小，单位512字节扇区
    sector_t bd_nr_sectors;
    // 设备逻辑块大小
    unsigned int bd_block_size;
    // 设备互斥锁，保护元数据修改
    struct mutex bd_mutex;
    // 设备挂载计数，记录有多少文件系统挂载在这个设备上
    int bd_mount_count;
};

2.3 分区抽象：struct hd_struct

struct hd_struct {
    // 分区起始扇区，单位512字节
    sector_t start_sect;
    // 分区总大小，单位512字节扇区
    sector_t nr_sects;
    // 分区号，sda1对应1，sda2对应2，以此类推
    int partno;
    // 分区IO统计信息，per-CPU变量，iostat工具的数据源
    struct disk_stats __percpu *stats;
    // 所属的全局gendisk实例
    struct gendisk *disk;
    // 引用计数
    refcount_t refcnt;
};

2.4 四大核心结构的关联关系

用户态/dev/sda1设备节点 → struct inode → struct block_device → struct hd_struct → struct gendisk → struct request_queue → 块设备驱动 → 物理磁盘