读取硬盘前的准备工作有哪些？

读取硬盘数据到内存中，是操作系统的一个基础功能。

读取硬盘需要有块设备驱动程序，而以文件的方式来读取则还有要再上面包一层文件系统。

把读出来的数据放到内存，就涉及到内存中缓冲区的管理。

上面说的每一件事，都是一个十分庞大的体系，我们今天的文章一个都不展开讲，哈哈。

我们就讲讲，读取块设备与内存缓冲区之间的桥梁，块设备请求项的初始化工作。

我们以 Linux 0.11 源码为例，发现进入内核的 main 函数后不久，有这样一行代码。

void main(void) { 
    ... 
    blk_dev_init(); 
    ... 
} 

看到这个方法的全部代码后，你可能会会心一笑，也可能一脸懵逼。

void blk_dev_init(void) { 
    int i; 
    for (i=0; i<32; i++) { 
        request[i].dev = -1; 
        request[i].next = NULL; 
    } 
} 

这也太简单了吧?

就是给 request 这个数组的前 32 个元素的两个变量 dev 和 next 附上值，看这俩值 -1 和 NULL 也可以大概猜出，这是没有任何作用时的初始化值。

我们看下 request 结构体。

 
struct request { 
    int dev;         
    int cmd;         
    int errors; 
    unsigned long sector; 
    unsigned long nr_sectors; 
    char * buffer; 
    struct task_struct * waiting; 
    struct buffer_head * bh; 
    struct request * next; 
}; 

注释也附上了。

哎哟，这就有点头大了，刚刚的函数虽然很短，但看到这个结构体我们知道了，重点在这呢。

这也侧面说明了，学习操作系统，其实把遇到的重要数据结构牢记心中，就已经成功一半了。比如主内存管理结构 mem_map，知道它的数据结构是什么样子，其功能也基本就懂了。

收，继续说这个 request 结构，这个结构就代表了一次读盘请求，其中：

dev 表示设备号，-1 就表示空闲。

cmd 表示命令，其实就是 READ 还是 WRITE，也就表示本次操作是读还是写。

errors 表示操作时产生的错误次数。

sector 表示起始扇区。

nr_sectors 表示扇区数。

buffer 表示数据缓冲区，也就是读盘之后的数据放在内存中的什么位置。

waiting 是个 task_struct 结构，这可以表示一个进程，也就表示是哪个进程发起了这个请求。

bh 是缓冲区头指针，这个后面讲完缓冲区就懂了，因为这个 request 是需要与缓冲区挂钩的。

next 指向了下一个请求项。

这里有的变量看不懂没关系。

不过我们倒是可以基于现有的重点参数猜测一下，比如读请求时，cmd 就是 READ，sector 和 nr_sectors 这俩就定位了所要读取的块设备(可以简单先理解为硬盘)的哪几个扇区，buffer 就定位了这些数据读完之后放在内存的什么位置。

这就够啦，想想看，这四个参数是不是就能完整描述了一个读取硬盘的需求了?而且完全没有歧义，就像下面这样。

而其他的参数，肯定是为了更好地配合操作系统进行读写块设备操作嘛，为了把多个读写块设备请求很好地组织起来。这个组织不但要有这个数据结构中 hb 和 next 等变量的配合，还要有后面的电梯调度算法的配合，仅此而已，先点到为止。

总之，我们这里就先明白，这个 request 结构可以完整描述一个读盘操作。然后那个 request 数组就是把它们都放在一起，并且它们又通过 next 指针串成链表。

好，本文讲述的两行代码，其实就完成了上图所示的工作而已。

但讲到这就结束的话，很多同学可能会不太甘心，那我就简单展望一下，后面读盘的全流程中，是怎么用到刚刚初始化的这个 request[32] 结构的。

读操作的系统调用函数是 sys_read，源代码很长，我给简化一下，仅仅保留读取普通文件的分支，就是如下的样子。

int sys_read(unsigned int fd,char * buf,int count) { 
    struct file * file = current->filp[fd]; 
    struct m_inode * inode = file->f_inode; 
    // 校验 buf 区域的内存限制 
    verify_area(buf,count); 
    // 仅关注目录文件或普通文件 
    return file_read(inode,file,buf,count); 
} 

看，入参 fd 是文件描述符，通过它可以找到一个文件的 inode，进而找到这个文件在硬盘中的位置。

另两个入参 buf 就是要复制到的内存中的位置，count 就是要复制多少个字节，很好理解。

钻到 file_read 函数里继续看。

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count) { 
    int left,chars,nr; 
    struct buffer_head * bh; 
    left = count; 
    while (left) { 
        if (nr = bmap(inode,(filp->f_pos)/BLOCK_SIZE)) { 
            if (!(bh=bread(inode->i_dev,nr))) 
                break; 
        } else 
            bh = NULL; 
        nr = filp->f_pos % BLOCK_SIZE; 
        chars = MIN( BLOCK_SIZE-nr , left ); 
        filp->f_pos += chars; 
        left -= chars; 
        if (bh) { 
            char * p = nr + bh->b_data; 
            while (chars-->0) 
                put_fs_byte(*(p++),buf++); 
            brelse(bh); 
        } else { 
            while (chars-->0) 
                put_fs_byte(0,buf++); 
        } 
    } 
    inode->i_atime = CURRENT_TIME; 
    return (count-left)?(count-left):-ERROR; 
} 

整体看，就是一个 while 循环，每次读入一个块的数据，直到入参所要求的大小全部读完为止。

直接看 bread 那一行。

int file_read(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count) { 
    ... 
    while (left) { 
        ... 
        if (!(bh=bread(inode->i_dev,nr))) 
    } 
} 

这个函数就是去读某一个设备的某一个数据块号的内容，展开进去看。

struct buffer_head * bread(int dev,int block) { 
    struct buffer_head * bh = getblk(dev,block); 
    if (bh->b_uptodate) 
        return bh; 
    ll_rw_block(READ,bh); 
    wait_on_buffer(bh); 
    if (bh->b_uptodate) 
        return bh; 
    brelse(bh); 
    return NULL; 
} 

其中 getblk 先申请了一个内存中的缓冲块，然后 ll_rw_block 负责把数据读入这个缓冲块，进去继续看。

void ll_rw_block(int rw, struct buffer_head * bh) { 
    ... 
    make_request(major,rw,bh); 
} 
 
static void make_request(int major,int rw, struct buffer_head * bh) { 
    ... 
if (rw == READ) 
        req = request+NR_REQUEST; 
    else 
        req = request+((NR_REQUEST*2)/3); 
 
    while (--req >= request) 
        if (req->dev<0) 
            break; 
    ... 
 
    req->dev = bh->b_dev; 
    req->cmd = rw; 
    req->errors=0; 
    req->sector = bh->b_blocknr<<1; 
    req->nr_sectors = 2; 
    req->buffer = bh->b_data; 
    req->waiting = NULL; 
    req->bh = bh; 
    req->next = NULL; 
    add_request(major+blk_dev,req); 
} 

看，这里就用到了刚刚说的结构咯。

具体说来，就是该函数会往刚刚的设备的请求项链表 request[32] 中添加一个请求项，只要 request[32] 中有未处理的请求项存在，都会陆续地被处理，直到设备的请求项链表是空为止。

具体怎么读盘，就是与硬盘 IO 端口进行交互的过程了，可以继续往里跟，直到看到一个 hd_out 函数为止，本讲不展开了。

 

具体读盘操作，后面会有详细的章节展开讲解，本讲你只需要知道，我们在 main 函数的 init 系列函数中，通过 blk_dev_init 为后面的块设备访问，提前建立了一个数据结构，作为访问块设备和内存缓冲区之间的桥梁，就可以了。