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linux內核md源代碼解讀 三 陣列創建的過程

這一節我們閱讀陣列的創建過程。

按照常理出牌,我們到ioctl中找陣列創建命令,md對應的ioctl函數是md_ioctl,當找對應的cmd命令字時,卻完全沒有類似CREATE_ARRAY的命令,那麼就說明md設備並不是通過ioctl函數來創建的。其實如果我們仔細閱讀一下md_ioctl函數的原型就會發現其實創建md設備根本就不在這個地方,函數原型如下:

6303 static int md_ioctl(struct block_device *bdev, fmode_t mode,  
6304                         unsigned int cmd, unsigned long arg)

6303行,第一個參數是struct block_device*,就是說對一個塊設備下發的命令,可是我們在創建md設備之前就沒有對應的md塊設備。

到此,線索就斷了,創建設備的入口到底是在哪裡呢?

此路不通,我們換一條路走。創建md設備總是要創建struct mddev結構吧,那就找哪裡申請了struct mddev內存結構不就可以了嗎?這個方法是可行的,可是struct mddev結構體是用kmalloc申請的,這是怎麼知道的呢?因為在函數md_init中根本就沒有申請struct mddev內存池的代碼,只好用kmalloc申請了。我們在md.c文件中搜索kmalloc再根據結果一條條找就能找出struct mddev創建的位置。但這裡我們使用一個更簡便的方法,那就是申請到了struct mddev結構總要進行初始化的吧,初始化函數是mddev_init,搜索這個函數,md.c文件中只有函數mddev_find()一處調用到,很顯然已經找到了struct mddev結構的創建入口了,那就接著往上層調用去找創建md設備的入口函數吧。

我們可以找到這樣的調用關系,箭頭表示調用關系:

mddev_find()  <--- md_alloc()  <--- md_probe()

md_probe()函數就是在模塊初始化函數md_init()中調用的blk_register_region()函數中的傳入參數,熟悉blk層的同學都知道,只要在用戶態創建了一個md設備,就會相應調用到內核probe()函數,而這裡傳入的probe()函數正是md_probe()。所以創建struct mddev結構體是由用戶態觸發的,而不是由內核態直接進行的。如果到了今天這個時代,還把這種瑣碎的事情放在內核態去做,你都不好意思說你是做linux開發的。做linux開發就是要引導時尚,崇尚簡單才是美。linux內核只提供機制,不提供具體實現策略。跟機制不相關的控制命令就需要從內核搬到用戶態,一方面簡化了內核,突出重點,方便了內核維護,另一方面在用戶態維護策略讓應用程序更加靈活並且方便了調試。

這樣我們就從內核態殺到了用戶態,用戶態程序就是大名鼎鼎的mdadm,網上隨便一搜就是一大堆人雲亦雲的文章,但最好的文章不是在網上,而是用命令man mdadm。用命令mdadm create來創建一個陣列,這裡不去閱讀mdadm的代碼,因為這是用戶態程序不是我們閱讀的重點,其次這些代碼也很簡單基本上學過初中英語的同學都能看得懂。我們需要知道的是mdadm create命令最終會調用mknod()函數來創建一個/dev/md*設備,這樣內核也就相應有了struct mddev結構體,這時這個結構體還是一個空結構體,空的意思就是說這個陣列沒有設置屬性,沒有對應的物理磁盤,沒有運行陣列。

到這個時候既然已經有了md設備,那就輪到md_ioctl上場的時候了,這個函數對應的ioctl命令字在文件include\linux\raid\md_u.h:

36 /* ioctls */
37   
38 /* status */
39 #define RAID_VERSION            _IOR (MD_MAJOR, 0x10, mdu_version_t)  
40 #define GET_ARRAY_INFO          _IOR (MD_MAJOR, 0x11, mdu_array_info_t)  
41 #define GET_DISK_INFO           _IOR (MD_MAJOR, 0x12, mdu_disk_info_t)  
42 #define PRINT_RAID_DEBUG        _IO (MD_MAJOR, 0x13)  
43 #define RAID_AUTORUN            _IO (MD_MAJOR, 0x14)  
44 #define GET_BITMAP_FILE         _IOR (MD_MAJOR, 0x15, mdu_bitmap_file_t)  
45   
46 /* configuration */
47 #define CLEAR_ARRAY             _IO (MD_MAJOR, 0x20)  
48 #define ADD_NEW_DISK            _IOW (MD_MAJOR, 0x21, mdu_disk_info_t)  
49 #define HOT_REMOVE_DISK         _IO (MD_MAJOR, 0x22)  
50 #define SET_ARRAY_INFO          _IOW (MD_MAJOR, 0x23, mdu_array_info_t)  
51 #define SET_DISK_INFO           _IO (MD_MAJOR, 0x24)  
52 #define WRITE_RAID_INFO         _IO (MD_MAJOR, 0x25)  
53 #define UNPROTECT_ARRAY         _IO (MD_MAJOR, 0x26)  
54 #define PROTECT_ARRAY           _IO (MD_MAJOR, 0x27)  
55 #define HOT_ADD_DISK            _IO (MD_MAJOR, 0x28)  
56 #define SET_DISK_FAULTY         _IO (MD_MAJOR, 0x29)  
57 #define HOT_GENERATE_ERROR      _IO (MD_MAJOR, 0x2a)  
58 #define SET_BITMAP_FILE         _IOW (MD_MAJOR, 0x2b, int)  
59   
60 /* usage */
61 #define RUN_ARRAY               _IOW (MD_MAJOR, 0x30, mdu_param_t)  
62 /*  0x31 was START_ARRAY  */
63 #define STOP_ARRAY              _IO (MD_MAJOR, 0x32)  
64 #define STOP_ARRAY_RO           _IO (MD_MAJOR, 0x33)  
65 #define RESTART_ARRAY_RW        _IO (MD_MAJOR, 0x34)

這個文件為什麼不放在md目錄而放在include目錄下?是因為文件裡的內容是用戶態跟內核態共用的,如果是內核態單獨用的就沒有必要放在這裡了。

對於陣列的創建流程,最關心的命令字有:

SET_ARRAY_INFO  設置陣列信息

ADD_NEW_DISK     添加磁盤到陣列

RUN_ARRAY           運行陣列

首先看設置陣列信息,這個函數是這三個函數中最簡單的一個:

6000 /* 
6001  * set_array_info is used two different ways 
6002  * The original usage is when creating a new array. 
6003  * In this usage, raid_disks is > 0 and it together with 
6004  *  level, size, not_persistent,layout,chunksize determine the 
6005  *  shape of the array. 
6006  *  This will always create an array with a type-0.90.0 superblock. 
6007  * The newer usage is when assembling an array. 
6008  *  In this case raid_disks will be 0, and the major_version field is 
6009  *  use to determine which style super-blocks are to be found on the devices. 
6010  *  The minor and patch _version numbers are also kept incase the 
6011  *  super_block handler wishes to interpret them. 
6012  */
6013 static int set_array_info(struct mddev * mddev, mdu_array_info_t *info)  
6014 {  
6015   
6016         if (info->raid_disks == 0) {  
6017                 /* just setting version number for superblock loading */
6018                 if (info->major_version < 0 ||  
6019                     info->major_version >= ARRAY_SIZE(super_types) ||  
6020                     super_types[info->major_version].name == NULL) {  
6021                         /* maybe try to auto-load a module? */
6022                         printk(KERN_INFO   
6023                                 "md: superblock version %d not known\n",  
6024                                 info->major_version);  
6025                         return -EINVAL;  
6026                 }  
6027                 mddev->major_version = info->major_version;  
6028                 mddev->minor_version = info->minor_version;  
6029                 mddev->patch_version = info->patch_version;  
6030                 mddev->persistent = !info->not_persistent;  
6031                 /* ensure mddev_put doesn't delete this now that there 
6032                  * is some minimal configuration. 
6033                  */
6034                 mddev->ctime         = get_seconds();  
6035                 return 0;  
6036         }  
6037         mddev->major_version = MD_MAJOR_VERSION;  
6038         mddev->minor_version = MD_MINOR_VERSION;  
6039         mddev->patch_version = MD_PATCHLEVEL_VERSION;  
6040         mddev->ctime         = get_seconds();  
6041   
6042         mddev->level         = info->level;  
6043         mddev->clevel[0]     = 0;  
6044         mddev->dev_sectors   = 2 * (sector_t)info->size;  
6045         mddev->raid_disks    = info->raid_disks;  
6046         /* don't set md_minor, it is determined by which /dev/md* was 
6047          * openned 
6048          */
6049         if (info->state & (1<<MD_SB_CLEAN))  
6050                 mddev->recovery_cp = MaxSector;  
6051         else
6052                 mddev->recovery_cp = 0;  
6053         mddev->persistent    = ! info->not_persistent;  
6054         mddev->external      = 0;  
6055   
6056         mddev->layout        = info->layout;  
6057         mddev->chunk_sectors = info->chunk_size >> 9;  
6058   
6059         mddev->max_disks     = MD_SB_DISKS;  
6060   
6061         if (mddev->persistent)  
6062                 mddev->flags         = 0;  
6063         set_bit(MD_CHANGE_DEVS, &mddev->flags);  
6064   
6065         mddev->bitmap_info.default_offset = MD_SB_BYTES >> 9;  
6066         mddev->bitmap_info.default_space = 64*2 - (MD_SB_BYTES >> 9);  
6067         mddev->bitmap_info.offset = 0;  
6068   
6069         mddev->reshape_position = MaxSector;  
6070   
6071         /* 
6072          * Generate a 128 bit UUID 
6073          */
6074         get_random_bytes(mddev->uuid, 16);  
6075   
6076         mddev->new_level = mddev->level;  
6077         mddev->new_chunk_sectors = mddev->chunk_sectors;  
6078         mddev->new_layout = mddev->layout;  
6079         mddev->delta_disks = 0;  
6080         mddev->reshape_backwards = 0;  
6081   
6082         return 0;  
6083 }

首先看注釋,這個函數有兩種用途,一是用於創建陣列,當創建陣列時,raid_disk>0,另一種用途是assemble陣列,這時raid_disk==0。

那這裡的raid_disk到底是多少呢?注釋裡又有這樣的一句話,如果raid_disk>0,那麼直接創建0.90陣列超級塊,很顯然,我們要創建的陣列超級塊是1.2的,所以6037-6080只是用於兼容老版本的陣列的,需要閱讀的代碼只有6016行if語句中的那幾行代碼。

6027-6029行,設置陣列超級塊版本號。

6030行,設置persistent屬性,就是說超級塊是保存在磁盤上還是只放在內存中啊,這裡我們都是保存在磁盤上,以後看到這個屬性就永遠為true。

6034行,設置陣列創建時間。

那麼是在什麼時候才開始設置陣列屬性呢?比如說陣列級別?別急,好戲還在後頭。

接著看ADD_NEW_DISK對應的處理函數:

5672 static int add_new_disk(struct mddev * mddev, mdu_disk_info_t *info)  
5673 {  
5674         char b[BDEVNAME_SIZE], b2[BDEVNAME_SIZE];  
5675         struct md_rdev *rdev;  
5676         dev_t dev = MKDEV(info->major,info->minor);  
5677  
5678         if (info->major != MAJOR(dev) || info->minor != MINOR(dev))  
5679                 return -EOVERFLOW;  
5680  
5681         if (!mddev->raid_disks) {  
5682                 int err;  
5683                 /* expecting a device which has a superblock */
5684                 rdev = md_import_device(dev, mddev->major_version, mddev->minor_version);  
5685                 if (IS_ERR(rdev)) {  
5686                         printk(KERN_WARNING  
5687                                 "md: md_import_device returned %ld\n",  
5688                                 PTR_ERR(rdev));  
5689                         return PTR_ERR(rdev);  
5690                 }  
5691                 if (!list_empty(&mddev->disks)) {  
5692                         struct md_rdev *rdev0  
5693                                 = list_entry(mddev->disks.next,  
5694                                              struct md_rdev, same_set);  
5695                         err = super_types[mddev->major_version]  
5696                                 .load_super(rdev, rdev0, mddev->minor_version);  
5697                         if (err < 0) {  
5698                                 printk(KERN_WARNING  
5699                                         "md: %s has different UUID to %s\n",  
5700                                         bdevname(rdev->bdev,b),  
5701                                         bdevname(rdev0->bdev,b2));  
5702                                 export_rdev(rdev);  
5703                                 return -EINVAL;  
5704                         }  
5705                 }  
5706                 err = bind_rdev_to_array(rdev, mddev);  
5707                 if (err)  
5708                         export_rdev(rdev);  
5709                 return err;  
5710         }

這個函數只截取了一部分,因為這一次添加磁盤流程只會走到這一部分代碼,首先注意到函數的參數:第一個參數是struct mddev結構體,這個結構體域比較多,我們會在後面用到具體域時再講,第二個參數是表示一個要加入陣列的磁盤,這裡用到了該結構體的兩個域,major和minor,表示磁盤主設備號和次設備號。

5676行,根據主設備號和次設備號算出dev_t。

5678行,這裡為什麼還要再檢查一下呢?返回的錯誤碼叫溢出,意思是說很久很久以前linux中設備還不是很多的時候dev_t只要用16位來表示就可以了,然而隨著linux服務器單一種類外設數量越來越多,dev_t擴展到32位,所以這裡檢查保證輸入major,minor的正確。

5681行,這裡還未添加磁盤,所以進入這個if分支。

5684行,創建磁盤struct md_rdev結構,繼續跟入到函數中:

3236 /* 
3237  * Import a device. If 'super_format' >= 0, then sanity check the superblock 
3238  * 
3239  * mark the device faulty if: 
3240  * 
3241  *   - the device is nonexistent (zero size) 
3242  *   - the device has no valid superblock 
3243  * 
3244  * a faulty rdev _never_ has rdev->sb set. 
3245  */
3246 static struct md_rdev *md_import_device(dev_t newdev, int super_format, int super_minor)  
3247 {  
3248         char b[BDEVNAME_SIZE];  
3249         int err;  
3250         struct md_rdev *rdev;  
3251         sector_t size;  
3252   
3253         rdev = kzalloc(sizeof(*rdev), GFP_KERNEL);  
3254         if (!rdev) {  
3255                 printk(KERN_ERR "md: could not alloc mem for new device!\n");  
3256                 return ERR_PTR(-ENOMEM);  
3257         }  
3258   
3259         err = md_rdev_init(rdev);  
3260         if (err)  
3261                 goto abort_free;  
3262         err = alloc_disk_sb(rdev);  
3263         if (err)  
3264                 goto abort_free;  
3265   
3266         err = lock_rdev(rdev, newdev, super_format == -2);  
3267         if (err)  
3268                 goto abort_free;  
3269   
3270         kobject_init(&rdev->kobj, &rdev_ktype);  
3271   
3272         size = i_size_read(rdev->bdev->bd_inode) >> BLOCK_SIZE_BITS;  
3273         if (!size) {  
3274                 printk(KERN_WARNING   
3275                         "md: %s has zero or unknown size, marking faulty!\n",  
3276                         bdevname(rdev->bdev,b));  
3277                 err = -EINVAL;  
3278                 goto abort_free;  
3279         }  
3280   
3281         if (super_format >= 0) {  
3282                 err = super_types[super_format].  
3283                         load_super(rdev, NULL, super_minor);  
3284                 if (err == -EINVAL) {  
3285                         printk(KERN_WARNING  
3286                                 "md: %s does not have a valid v%d.%d "
3287                                "superblock, not importing!\n",  
3288                                 bdevname(rdev->bdev,b),  
3289                                super_format, super_minor);  
3290                         goto abort_free;  
3291                 }  
3292                 if (err < 0) {  
3293                         printk(KERN_WARNING   
3294                                 "md: could not read %s's sb, not importing!\n",  
3295                                 bdevname(rdev->bdev,b));  
3296                         goto abort_free;  
3297                 }  
3298         }  
3299         if (super_format == -1)  
3300                 /* hot-add for 0.90, or non-persistent: so no badblocks */
3301                 rdev->badblocks.shift = -1;  
3302   
3303         return rdev;  
3304   
3305 abort_free:  
3306         if (rdev->bdev)  
3307                 unlock_rdev(rdev);  
3308         md_rdev_clear(rdev);  
3309         kfree(rdev);  
3310         return ERR_PTR(err);  
3311 }

 

3252行,創建一個struct md_rdev結構體。

3259行,初始化struct md_rdev結構體。

3262行,申請一個page頁,用於存放磁盤超級塊信息。

3266行,對磁盤加鎖,防止被其他程序操作如mount, 分區等。

3270行,初始化struct md_rdev磁盤kobject結構。

3272行,讀磁盤大小,判斷是否合法。

3281行,陣列超級塊是1.2版本的,進入if分支。

3282行,讀入陣列超級塊信息,具體調用的函數是:

1450 static int super_1_load(struct md_rdev *rdev, struct md_rdev *refdev, int minor_version)  

這個函數很簡單,根據超級塊版本從磁盤上讀入陣列超級塊信息並保存到md_rdev->sb_page中,做一些基本的校驗和檢查,並將超級塊信息保存到struct md_rdev結構中。到這裡就返回到add_new_disk函數,5684行返回的rdev就含有從磁盤上加載的超級塊信息。

5691行,由於陣列中還沒有磁盤,所以list_empty(&mddev->disks)成立,不會進入if分支。

5706行,建立陣列struct mddev和磁盤struct md_rdev結構之間的聯系,進函數:

2077 static int bind_rdev_to_array(struct md_rdev * rdev, struct mddev * mddev)  
2078 {  
2079         char b[BDEVNAME_SIZE];  
2080         struct kobject *ko;  
2081         char *s;  
2082         int err;  
2083   
2084         if (rdev->mddev) {  
2085                 MD_BUG();  
2086                 return -EINVAL;  
2087         }  
2088   
2089         /* prevent duplicates */
2090         if (find_rdev(mddev, rdev->bdev->bd_dev))  
2091                 return -EEXIST;  
2092   
2093         /* make sure rdev->sectors exceeds mddev->dev_sectors */
2094         if (rdev->sectors && (mddev->dev_sectors == 0 ||  
2095                         rdev->sectors < mddev->dev_sectors)) {  
2096                 if (mddev->pers) {  
2097                         /* Cannot change size, so fail 
2098                          * If mddev->level <= 0, then we don't care 
2099                          * about aligning sizes (e.g. linear) 
2100                          */
2101                         if (mddev->level > 0)  
2102                                 return -ENOSPC;  
2103                 } else
2104                         mddev->dev_sectors = rdev->sectors;  
2105         }  
2106   
2107         /* Verify rdev->desc_nr is unique. 
2108          * If it is -1, assign a free number, else 
2109          * check number is not in use 
2110          */
2111         if (rdev->desc_nr < 0) {  
2112                 int choice = 0;  
2113                 if (mddev->pers) choice = mddev->raid_disks;  
2114                 while (find_rdev_nr(mddev, choice))  
2115                         choice++;  
2116                 rdev->desc_nr = choice;  
2117         } else {  
2118                 if (find_rdev_nr(mddev, rdev->desc_nr))  
2119                         return -EBUSY;  
2120         }  
2121         if (mddev->max_disks && rdev->desc_nr >= mddev->max_disks) {  
2122                 printk(KERN_WARNING "md: %s: array is limited to %d devices\n",  
2123                        mdname(mddev), mddev->max_disks);  
2124                 return -EBUSY;  
2125         }  
2126         bdevname(rdev->bdev,b);  
2127         while ( (s=strchr(b, '/')) != NULL)  
2128                 *s = '!';  
2129   
2130         rdev->mddev = mddev;  
2131         printk(KERN_INFO "md: bind<%s>\n", b);  
2132   
2133         if ((err = kobject_add(&rdev->kobj, &mddev->kobj, "dev-%s", b)))  
2134                 goto fail;  
2135   
2136         ko = &part_to_dev(rdev->bdev->bd_part)->kobj;  
2137         if (sysfs_create_link(&rdev->kobj, ko, "block"))  
2138                 /* failure here is OK */;  
2139         rdev->sysfs_state = sysfs_get_dirent_safe(rdev->kobj.sd, "state");  
2140   
2141         list_add_rcu(&rdev->same_set, &mddev->disks);  
2142         bd_link_disk_holder(rdev->bdev, mddev->gendisk);  
2143   
2144         /* May as well allow recovery to be retried once */
2145         mddev->recovery_disabled++;  
2146   
2147         return 0;  
2148   
2149  fail:  
2150         printk(KERN_WARNING "md: failed to register dev-%s for %s\n",  
2151                b, mdname(mddev));  
2152         return err;  
2153 }

2090行,檢查是否磁盤已經加入陣列了,加過就不必重復添加。2094-2105行,比較磁盤大小,記錄最小的磁盤空間。2111行,desc_nr分配,這個號只描述加入陣列的早晚。2130行,建立struct md_rdev到mddev的關聯。2133-2139行,建立sysfs相關狀態和鏈接。2141行,建立mddev到struct md_rdev的關聯。add_new_disk就這麼快結束了,簡單地說就是創建struct md_rdev結構並與struct mddev結構之間創建聯系。第三個命令字RUN_ARRAY的處理過程具有重要的意義,並且其過程不是三言兩語能夠說完的,我們把該命令字處理流程放到下一個小節單獨來講。

出處:http://blog.csdn.net/liumangxiong

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