前言

笔者寄语

我终于长长地嘘了一口气！诺大的空间显得格外安静，稀疏坐落着的人们还在埋头忙碌着。此刻的我，压抑住内心喜悦，轻轻地踱到窗前，透过厚厚的玻璃，看着雪花乱舞，或覆盖车顶，或湮没河面，或消失在那一片新搭起的葡萄架下的泥土里，自己的思绪竟随着跳动起来。

无从知晓，写这本书的念头一直充斥着我的脑海，多年来，片刻都没有改变。为了你，我不惜被放逐天际，只要求拥有支配自己时间的自由；为了你，虽不能够遁入山林，我也坚持做着这大都会的隐者——浮华非我所求，喧嚣与我无缘；为了你，是的，我什么都愿意。

人生有如登山。源于上帝赐予的机遇，以及个人的努力，我有幸能登上这么一个小小的山峰，途中的辛酸只能自己去体味，或者最多和身边的朋友倾诉，但一路过来的心得，以及登临绝顶后所看到的风景却实在不敢独享。既然喜欢文字作画，为何不将它们记录下来，权当作同样有志于攀登的后来者的攻略，或者是无意于此的旁观者在为他事辛劳的间隙，也能够了解个中的美妙。

如果读者认为此书稍有所裨益，那么就烦请您到书店，或通过网络去购买此书。Linux是一个有待去探索的深奥领域，我自信本书能为您提供一点线索，甚至作为随身指导，常常温故以知新。您的付出，无论相对于您的收获，还是相对于本书创作过程中的付出，都是值得的。当然，笔者也不避言，因为自己还是一个有志于其他山峰的攀登者，希望为下一次的旅程积累一些资本。

本书目标

大多数爱好者在阅读Linux内核源代码时会产生这样的困惑，我们很少能找到针对Linux操作系统，甚至某个单独的内核模块，在设计和开发方面的文档。仅有Linux社区的一些高手们对一些关键算法或者一些设计考虑的讨论。此外，当前大多数的源码分析书籍，都只是就函数或代码进行解释，没有给出整体和全面的视角。对于处于新手上路，或者小技初成级别的读者，只能获得局部和片面的认识，在理解这些讨论和阅读内核源码时会非常困难，常常产生挫败感。

写作本书的初衷，就是希望从软件设计和开发者的角度对与Linux存储相关模块作一个梳理。我们将设计一些主要的场景，跟踪实现的各个层次，对其中的主要函数进行代码级的讲解。在分析每个模块时，会给出整体框架与主要数据结构之间的关系，并列出各个域的详细含义，比起单调的代码阅读理解，相信会达到更好的效果。

本书在构思之初，所计划的目标远非上面列举的几项。笔者曾经试图加入设备仿真原理部分，分析虚拟机是如何仿真CPU、PCI子系统、SCSI子系统、存储适配器、网络适配器以及磁盘设备的。笔者还曾设想从Linux内核开发者的角度，尽量贴近软件设计和开发文档，讲解各个子系统和模块的构思过程、设计思想、技术难点及解决方案等。不过由于时间和精力所限，最后有所取舍。

本书最终确定命名为《存储技术原理分析——基于Linux2.6内核源代码》。坦率地说，这只是最初设定的写作目标中基础的部分，此外，还准备了网络子系统、iSCSI、NFS、Heartbeat虚拟机等诸多素材，分别被规划为进阶篇、高级篇的内容。至于最终会不会有机会呈现给读者，那就要看本书的市场反应和笔者的精力了，本书旨在通过分析Linux内核源代码讲解存储、网络和虚拟机的相关技术。如果读者有足够的耐心和毅力跟随我们完成这一次旅程，您将理解以下几点：

• 设备发现过程：了解操作系统如何发现PCI设备、SCSI设备、块设备，并和驱动绑定起来；

• 存储I/O路径：了解用户对文件的读/写请求怎么通过I/O路径，最终到达磁盘介质上；

• 内核编程模式：理解PCI-SCSI HBA驱动、块设备驱动，以及文件系统等编程框架。

本书读者

本书所针对的读者应该具有一定基础。应该对存储技术有些了解，应该对操作系统有些领悟，应该对软件开发有些心得，但是这种了解、领悟和心得又似乎浮于表面，经不住考验。最为重要的是，应该有对细节的渴望和对未知的好奇。本书通过分析Linux源代码系统阐述存储技术的内在原理，它要告诉的，不是Linux的历史有多长、功能有多强，或是那些古老的话题，重复在我们的身旁；它要讲述的，是一些执着的人们思考着什么，又最终决定了什么，在并不为我们所知的地方。

本书导读

本书针对的Linux内核版本号为2.6.34，并且以x86为硬件平台为目标。为了突出重点，将在各个部分讨论最具普遍性、而不是最新的技术。例如，会探讨PCI和SCSI，但不会涉及PCIe或者SAS。至于文件系统部分，还是以Minix作为基础，尽管当前有很多非常强大的文件系统存在，并且还会不断被推出。在行文过程中，可能会谈到某些厂商的产品或驱动，这绝非出于市场考虑，也并不表明该产品是行业内功能最强或性能最优的，或者这些驱动是“没有错误（bug free）”的。

本书涉及的内容较多，分为三部分共8章。为了使读者在阅读过程中不至于迷失，请参考如下导读。

1.第一部分为第1章，介绍存储技术的概况。

这一章讨论存储系统的组成元素：磁盘驱动器、存储设备、服务器部件和存储软件，阐述和存储相关的各种技术，如备份、快照、连续数据保护、重复数据删除、虚拟化及虚拟机技术等。

2.第二部分包括第2章到第4章，介绍设备发现的过程。

第2章讲述Linux驱动模型。它为Linux内核构建了一个综合的、统一的机制，以内核对象为基础，将总线、设备和驱动关联起来，组织成一个层次结构的系统，方便了各种类型设备的热插拔和电源管理，同时借助sysfs提供了一个完全层次结构的用户视图。

第3章讲述PCI子系统。它将SCSI适配器、网络适配器等设备连接到主机I/O总线。

第4章讲述SCSI子系统。它将磁盘或者外部存储设备连接到主机I/O总线。

3.第三部分包括第5章到第8章，介绍存储I/O的路径。

第5章讲述块I/O子系统。它向上层提供I/O请求API，并实现I/O调度，将请求派发到具体块设备的请求队列执行，以及提供请求完成的下半部处理API，直至最终调用上层的请求完成回调函数结束I/O。

第6章讲述Linux RAID。MD模块是一个虚拟块设备层。这一章将以MD模块源码为基础，阐述Linux内核中如何支持各种不同的RAID级别。

第7章讲述Device Mapper。这一章将以Device Mapper模块源码为基础，阐述设备映射原理及各种映射规则的实现。

第8章讲述文件系统。文件系统是存储和组织文件（即一系列相关的数据），以便可以方便地进行查找和访问的一种机制。这一章将介绍Linux内核如何通过虚拟文件系统层，实现对各种具体文件系统的支持，以及从装载文件系统到访问文件等系统调用的流程。

本书图例

本书不会仅限于从概念上来讲解存储技术，而是以Linux内核源码为基础进行详细的阐述。理解Linux内核的关键在于把握各个数据结构之间的关系，用图示方式描画出各个数据结构之间的关系无疑是最为直观的。在描画各个关系图时，本书遵循如图所示的图例注解：

图中①表示数据结构B有一个pointer域指向数据结构A。它的示例代码如下：

struct B {
    ...
    struct A *pointer;
    ...
};

②表示数据结构B通过list域链入数据结构A的以head域为表头的链表，它的示例代码如下：

struct A {
    ...
    list_head head;
    ...
};
struct B {
    ...
    list_head list;
    ...
};
...
void link_B_to_A(struct A *a, struct B *b) {
    list_add(&b->list, &a->head);
}

我们看到，在数据结构A中定义了head域，数据结构B中定义了list域。两个域都是list_head类型，这是Linux内核代码中表示链表的数据结构，在分析代码中遇到它再进行分析。上面的例子中还有一个函数link_B_to_A，用于将结构A的对象通过list域，链接到结构B的对象以head域为首的链表中，其中list域被称为连接件，head域被称为表头。

③表示数据结构B通过list域链入哈希表的某个哈希桶中。哈希桶的数据结构为A，其head域为链表表头。表示结构A的数组。

感谢与联系方式

本书是一本技术性组织的书籍，能通过对Linux源码的分析来讲解存储、网络和虚拟机相关技术的内涵，外延及这些技术的原理。在写作过程中笔者查阅了很多资料，在此一并向有关资料的提供者表示感谢。

感谢我的导师上海交大计算机系的白英彩教授！白老师是我一生的导师，自毕业以来，始终给予我职业上的指导，并提供了许多宝贵的建议和机会。

感谢博文视点公司的几位编辑。如果不是有幸遇到他们，本书可能还只是孕育着的一个想法。在写作过程中，他们提供了很多的专业指导，尤为感动的是，在因延期交稿而忐忑时，还给予了从作者角度设身处地的劝慰，使得我安心、愉快地继续创作。

真诚地感谢我的家人，让我在紧张写作的间隙，总能够享受家的温馨。尤其是我的爱人邓玉洁，对于我的每一个想法，尽管可能不见得是主流，她总是给予极大的支持。由于她的努力，我可以无需过多顾虑生活上的压力，感谢她，还有我们生命中最重要的小末末！

最后，感谢我所有的朋友，以前的和现在的，有联系的和没有联系的。曾经为远离从前的朋友而遗憾，怕从此友情不再。现在终于释怀，人生就好像一个旅程，朋友就是我一路的风景，不同的阶段风景会不同，感谢他们，见证了我生命的历程。特别的感激送给：柴剑锋、陈颖、戴广成、丁旭华、董歆奕、方敏、谷大武、黄昉、蒋川群、蒋文蓉、金崇英、李虎、李静、李小勇、梁坚、刘俊、刘伟、任松林、田忠、王安保、王金浦、杨向群、张冠群。同样，向很多没有列出名字的朋友说声抱歉——你们在我心中。

当然，由于资料难觅，加之笔者水平有限，本书难免存在不少的瑕疵和错误的理解，敬请读者批评指正，可以发送邮件至ao_qy@hotman.com进行联系。

最后附上小诗一首，结束全文。

【登南岳赋】

二零一零年，清明，霂，游寿岳衡山，经半山亭，南天门等，至祝融峰晋香，感自然浩瀚，叹世俗虚华，以此诗记之：

半山烟雨半山空，一路流云一路松，

携风漫道南门外，相邀长住寿天宫。

敖青云

2010年7月～2011年2月

写作于上海浦东新区图书馆

完稿于上海第二工业大学

谨以此书献给小末末

人生路常伴风雨，希望你总能安然度过。

我愿用生命来呵护你，为你护航。