Linux vfs写入磁盘 linux直接读写磁盘

转载

mob6454cc68959c 2024-08-25 16:40:50

文章标签 Linux vfs写入磁盘 LINUX OS drivers 块设备 文章分类 计算机视觉人工智能

事实上，我总是对linux开源社区的无名英雄们怀着无限的敬意，因此除了完成工作中需要的功能以外，首先想到的是分享，本篇文章以

GPL发布，在你转发的时候，请遵循GPL协议的规定，在此首先贴出GPL公共许可证，或许你会觉得这过于啰嗦，事实上这是必要的。请谅

解。

下面进入正题，我打算分几个步骤来说明：

第一磁盘写操作的过程分析；

第二模块导出符号的利用；

第三jprobe和kprobe介绍；

第四磁盘写操作跟踪；

最后还将给出一个简单的示例程序。

第一磁盘写操作过程分析

在linux内核中，发生一次写操作，从调用write函数到数据发起一个写数据到具体块设备请求之间，大致需要以下几个过程。

1.如果用户态调用了一个write函数，内核执行blkdev_file_write函数，如果不是direct io操作方式，那么执行buffered write操作

过程，直接调用generic_file_buffered_write函数。Buffered write操作方法会将数据直接写入Cache，并进行Cache的替换操

作，在替换操作过程中需要对实际的快设备进行操作，address_space->a_ops提供了块设备操作的方法。当数据被写入到Cache之

后，write函数就可以返回了，后继异步写入的任务绝大部分交给了pdflush daemon(有一部分在替换的时候做了)。

2.读操作在没有命中Cache的情况下通过address_space_operations方法中的readpage函数发起块设备读请求；写操作在替换

Cache或者Pdflush唤醒时发起块设备请求。发起块设备请求的过程都一样，首先根据需求构建bio结构，bio结构中包含了读写地址、

长度、目的设备、回调函数等信息。构造完bio之后，通过简单的submit_bio函数将请求转发给具体的块设备。从这里可以看出，块设

备接口很简单，接口方法为submit_bio（更底层函数为generic_make_request），数据结构为struct bio。

3.submit_bio函数通过generic_make_request转发bio，generic_make_request是一个循环，其通过每个块设备下注册的

q->make_request_fn函数与块设备进行交互。如果访问的块设备是一个有queue的设备，那么会将系统的__make_request函数

注册到q->make_request_fn中；否则块设备会注册一个私有的方法。在私有的方法中，由于不存在queue队列，所以不会处理具体

的请求，而是通过修改bio中的方法实现bio的转发，在私有make_request方法中，往往会返回1，告诉generic_make_request继

续转发比bio。generic_make_request的执行上下文可能有两种，一种是用户上下文，另一种为pdflush所在的内核线程上下文。

4.接下来generic_make_request再往下发就该到驱动层了。这里不属于我们讨论的范畴了

我们需要监控所有要经过generic_make_request发起到驱动的bio，因此只有在bio被产生或者submit_bio的位置去拦截，读到这里，你能够想明白这个事情就足够了。

第二模块导出符号的利用

模块函数是可以用EXPORT_SYMBOL宏导出的，其本来的目的是导出之后便于模块与模块之间的代码重用，已经模块间通讯。在这里我

们要讨论其另外一个用法，模块函数被导出之后，我们可以根据模块名称获取到模块函数对应的位置偏移量。这个值也就是这个模块函数的

首地址。如果我们要想利用submit_bio，那首先就要保证submit_bio函数的符号是被导出来了的。事实上我们查看linux内核源代码(blk-core.c:Line1620):

1. /**
2.  * submit_bio - submit a bio to the block device layer for I/O
3.  * @rw: whether to %READ or %WRITE, or maybe to %READA (read ahead)
4.  * @bio: The &struct bio which describes the I/O
5.  *
6.  * submit_bio() is very similar in purpose to generic_make_request(), and
7.  * uses that function to do most of the work. Both are fairly rough
8.  * interfaces; @bio must be presetup and ready for I/O.
9.  *
10.  */  
11. void submit_bio(int rw, struct bio *bio)  
12. {  
13. int count = bio_sectors(bio);  
14.         bio->bi_rw |= rw;  
15. /*
16.          * If it's a regular read/write or a barrier with data attached,
17.          * go through the normal accounting stuff before submission.
18.          */  
19. if (bio_has_data(bio) && !(rw & REQ_DISCARD)) {  
20. if (rw & WRITE) {  
21.                         count_vm_events(PGPGOUT, count);  
22. else {  
23.                         task_io_account_read(bio->bi_size);  
24.                         count_vm_events(PGPGIN, count);  
25.                 }  
26. if (unlikely(block_dump)) {  
27. char b[BDEVNAME_SIZE];  
28. "%s(%d): %s block %Lu on %s (%u sectors)/n",  
29.                         current->comm, task_pid_nr(current),  
30. "WRITE" : "READ",  
31. long long)bio->bi_sector,  
32.                                 bdevname(bio->bi_bdev, b),  
33.                                 count);  
34.                 }  
35.         }  
36.         generic_make_request(bio);  
37. }  
38. EXPORT_SYMBOL(submit_bio);

确实这个submit_bio函数是被导出了符号的，EXPORT_SYMBOL(submit_bio);或许你觉得这来的太轻松了，事实上要分析到这一步真的需要很多耐心的，所有磁盘读写操作最终要真正的往磁盘上写文件，所有真实要到达磁盘的数据bio都必将经过这个函数。虽然是导出来符合，我们能直接调用，可是直接调用似乎不能达到我们想要的效果获取到这个bio结构。反而要我们传给它一个bio结构。对这个函数如何处理呢？

正如你所想的那样，我们如果能在这个函数执行的时候插入一个函数到这里拦截就对了，就像c语言的setjmp和longjmp那样工作。可是在编译过了的linux内核中能实现吗？答案是肯定的。这就是下一节所讲的kprobe机制。

第三 jprobe和kprobe介绍

顾名思义probe就是探头的意思，即是说在函数f1调用的时候，设置一个探头f2到这个函数f1的位置，并且获取到f1的参数，抛给f2，然

后，跳到f2的位置执行，完了之后再回到到f1执行。

更多关于kprobe的介绍请自行google查找，在linux内核的sample目录下也有一个使用的例子。这里只做简单的介绍，其功能简单说，

就是在函数被调用的时候，能拿到这个函数的参数，做一些处理。而如果我们设置一个jprobe到submit_bio这个函数上，那么我们就可以

获取到bio结构的信息了。jprobe结构定义如下：

1. struct jprobe {  
2. struct kprobe kp;  
3. void *entry;  
4. }

那么总结一下设计思路，一句话，构建一个jprobe探头插入到submit_bio处。事实上要得出这句话的结论要经历很多伤感的事情。哈

哈。

kprobe结构中有两个重要的成员symbol_name, addr，symbol_name就是那个函数的符号，这里就应该是submit_bio的符号。

addr就是这个函数的地址，就是内核函数kallsyms_lookup_name("submit_bio")返回的值。需要注意的是在jprobe结构中的kprobe

只能是addr或是symbol_name其中一个填入了值，如果两个都填入，在注册这个探头的时候就会出现错误-21非法符号。举例说明，如果

addr为0x1000000，那么symbol_name就该是NULL;如果symbol_name为"submit_bio"那么addr就该为NULL；不能是两个都是有

效的数据。具体设置哪一个值，根据内核版本而定。（很多发型版本并没有导出kallsyms_lookup_name）.

jprobe的另一个成员是entry，这就是我们自己定义的那个探头程序。

有一点必须说明，就是注册进去的探头程序应该和被注册的函数的参数列表一致，比如void submit_bio(int rw, struct bio * bio)

那么注册进去的探头程序也该是 void submit_bio_probe(int rw, struct bio * bio).

因此对于submit_bio这个函数，要想注册一个jprobe探头函数给它，那么这个jprobe结构就应该类似于下面这个样子。

1. struct jprobe submit_bio_jprobe {  
2.     .entry = (kprobe_opcode_t *) submit_bio_jprobe,  
3.     kp = {  
4. "submit_bio"  
5.     }  
6. };

第四磁盘写操作跟踪

磁盘操作的跟踪，逻辑已经很清楚了。那么具体如何去做？

首先这是linux内核编程，因此我们需要写一个模块，当然你也可以傻到去修改内核，实现一个系统调用。这里我们按照正常人的思维去

做。在实现的模块中，初始化的时候把这个探头程序注册进去，然后在模块释放的时候卸载这个探头程序。注册探头程序用

register_jprobe，卸载用unresister_jprobe仅此而已。似乎讲到了这里的时候，你会发现这是一件特别简单的事情了。内核调用也不会

超过10个。也实在没有必要再详细的说下去了，这里给出一个简单的实例程序，其功能是打印出，哪个设备的那一个扇区之后的多少个扇区

发生了写操作。打印的格式为：

device: dm-0, command: write, start: 10240, count: 8

其中device为对应的设备名，command为动作，是读还是写， start为动作发生的起始扇区， count是start这个位置之后的多少个扇

会发生command类型的操作。

下面给出源代码和makefile文件

dwm_mod.c

1. #include <linux/kernel.h>  
2. #include <linux/module.h>  
3. #include <linux/kprobes.h>  
4. #include <linux/bio.h>  
5.   
6. static void submit_bio_probe(int rw, struct bio * bio) {  
7. if(bio && bio->bi_io_vec != NULL) {  
8. char b[BDEVNAME_SIZE];  
9. "device: %s, command: %s, start: %10lld, count: %d /n",  
10. "write" : "read",  
11.                                 bio->bi_sector, bio_sectors(bio));  
12.         }  
13.         jprobe_return();  
14. }  
15.   
16. static struct jprobe my_jprobe = {  
17.         .entry = (kprobe_opcode_t *) submit_bio_probe,  
18.         .kp = {  
19. // can not set both addr and symbo_name  
20. // either set addr or symbol_name  
21. // if not -21 while retured  
22. //(kprobe_opcode_t *) 0xc04e6e4,  
23. "submit_bio",  
24.         },  
25. };  
26. static int __init my_init(void) {  
27. int ret = 0;  
28. "submit_bio jprobe module install.../n");  
29.         ret = register_jprobe(&my_jprobe);  
30. if(ret < 0) {  
31. "register_jprobe failed, returned %d/n", ret);  
32. return ret;  
33.         }  
34. "Planted jprobe at %p, handler addr %p/n",  
35.                 my_jprobe.kp.addr, my_jprobe.entry);  
36. return ret;  
37. }  
38. static void __exit my_exit(void) {  
39. "submit_bio jprobe module uninstall.../n");  
40.         unregister_jprobe(&my_jprobe);  
41. "jprobe at %p unregistered/n", my_jprobe.kp.addr);  
42. }  
43. module_init(my_init);  
44. module_exit(my_exit);  
45. MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile:

1. ifneq ($(KERNELRELEASE),)  
2.         obj-m := dwm_mod.o  
3. else  
4.         KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build  
5.         PWD := $(shell pwd)  
6. default:  
7.         $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules  
8. endif

大家可以编译运行，看看运行结果。编译的时候，如果你的linux系统没有安装内核开发环境，请先安装。

我的测试系统是CentOS 5.1，内核版本是2.6.18-238.9.1.el5

本文章为转载内容，我们尊重原作者对文章享有的著作权。如有内容错误或侵权问题，欢迎原作者联系我们进行内容更正或删除文章。