0. 块设备与字符设备
块设备：能随机访问固定大小的数据片的设备
字符设备：只能按字符流顺序访问的设备
1. 块设备剖析
块设备的最小物理可寻址单元：扇区（设备块），一般是2的整数倍
内核访问块设备最小逻辑可寻址单元：块（文件块），一般是块个数2的整数倍，但不能超过一个页
簇、柱面、磁头是针对某些特定的块设备
2. 缓冲区和缓冲区头
一个块被载入内存时，它要存储在一个缓冲区中。每个缓冲区与一个块对应。
内核处理时，还需要一些相关的元数据，因此每个缓冲区对应一个描述符struct buffer_head，定义在<linux/buffer_head.h>。
它存在的目的在于描述磁盘块和物理内存缓冲区之间的映射。
不过现在I/O操作不怎么通过buffer_head，而是直接通过页面或者地址空间进行操作。
3. bio结构体
目前块I/O操作的基本容器由struct bio表示，它定义在<linux/bio.h>。
它代表正在活动的以片段（segment）链表形式（链表下一个指针为bi_next域）组织的块I/O操作，每个bio代表一个操作。
每个bio有2个重要的域：
bi_io_vec数组（struct bio_vec），通过bi_idx找到对应的bio_vec对象，而bio_vec包含对应的页面，可进行直接操作bi_cnt使用计数，若值为0，则要释放该结构体。操作时，增加计数，完成后，减少计数
3.1. I/O向量bio_vec
该结构体包含了一个特定I/O操作需要用到的片段，以<page, offset, len>向量表示（物理页、偏移、长度）。
3.2. bio与buffer_head对比
bio的好处：
- 可包括多个页，而非仅仅一个块（
buffer_head） bio描述的块不需要连续，不需要分割I/O操作- 容易处理高端内存（
HIGH_MEM） bio代表的页可以是普通页，也可以是直接I/O（不需要通过页高速缓存的操作）- 便于执行分散-集中的块I/O操作，数据可取自不同的物理页面
- 比
buffer_head更加轻量，因为不包含缓冲区本身的信息，只需要操作所需的信息即可（只是一个矢量数组）
4. 请求队列
块设备将请求保存在请求队列中，由struct request_queue结构体表示，定义在<linux/blkdev.h>中，包含一个双向链表和相关控制信息。
队列中的请求由struct request表示，而请求中可能要操作多个磁盘块，所以请求可由多个bio组成。
5. I/O调度程序
内核在提交I/O操作前，会继续预操作，以提高性能。
I/O调度程序将磁盘I/O资源分配给挂起的I/O请求，具体实现是将请求队列中的请求进行合并和排序，以降低磁盘寻址空间，提高全局吞吐量（可能对某些请求不公平）。
5.1. Linus电梯
Linus电梯能执行合并与排序预处理：
- 可向前/向后合并请求，若新请求的扇区位置正好连在现有请求之前，则向前合并，否则向后合并（通常向后，因为很少向反方向读写）
- 若不能合并，则需要寻找插入点，要符合请求以扇区方向有序排序原则
- 若不能找到插入点，则插入队列尾部
- 若队列有驻留时间过长的请求，则新请求直接放到尾部，以缓解饥饿
5.2. 最终期限I/O调度
为了解决Linus电梯带来的饥饿问题而出现，但会降低全局吞吐量：
- 每个请求都有一个超时时间（如读500ms，写5s）
- 类似Linus电梯，维护一个特定的排序队列，合并和插入请求方法类似
- 此外，请求还会被插入到特定的FIFO队列，读和写的队列分离（即读队列和写队列）
- 提交请求时：
- 从排序队列的头部取下请求，推入派发队列，派发队列将请求提交给磁盘驱动，并将请求从对应的读/写队列中移除
- 若读/写队列头的请求超时，则直接从该队列头取出请求，推入派发队列，并将请求从排序队列中移除
它不能严格保证请求的响应时间，但通常情况下，能防止饥饿发生。尤其是读饥饿。
5.3. 预测I/O调度
Linux内核默认的调度。
基础是最终期限I/O调度——实现3个队列+派发队列，设置超时时间。主要的改进是增加了预测启发的能力：
- 读请求提交后，不直接返回处理其它请求，而会有意空闲片刻（默认6ms），任何相邻位置的请求都会得到处理，等待结束后，重新返回到原来的位置
- 依靠启发和统计工作，跟踪进程的块I/O操作的习惯行为，以对读I/O请求进行优化
5.4. 完全公正排队I/O调度（CFQ）
CFQ是为专有工作负荷设计的，尤其是桌面工作负荷，但能在多种工作负荷下提供良好性能：
- CFQ将I/O请求放入特定的队列，队列根据进程标识（如
foo进程的请求进入foo队列） - 每个队列，尝试将新请求与相邻请求合并
- 合并失败，则寻找插入点，尽量保证扇区方向的有序
- 提交时，以时间片轮转（RR）调度队列，每次从队列中选取一定数量的请求（如4个），然后进行下一轮的调度
5.5. 空操作I/O调度
它专为随机访问设备设计。
除了尝试将新请求和相邻请求合并之外，其它什么都不做，队列近似以FIFO顺序排列。
