40 从意图到I/O：内核如何看待文件、磁盘和设备

当进程调用read()时，它请求的不是磁盘，而是数据。接下来的操作并非单一行为，而是内核各层之间的结构化交接，每层都有明确职责。内核看待文件的方式与用户不同，它看到的是结构、委托和执行。从意图到I/O的路径会经过三个核心组件：虚拟文件系统（VFS）、块I/O子系统和设备驱动程序。

VFS是第一个解释用户空间请求的组件，它将路径名简化为内部对象：目录项（dentry）、索引节点（inode）和文件描述符。它无需知道挂载的是哪种文件系统，其作用是提供统一接口并将操作调度到正确的实现。通过抽象和间接，VFS将逻辑访问与物理布局分离。

文件系统驱动程序（如ext4、xfs或其他）将文件偏移量转换为设备上的逻辑块地址，它遍历元数据结构、解析映射并确定请求数据的位置。它不与硬件交互，而是构造一个bio（块I/O向量）结构，该结构从内存页、偏移量和方向的角度描述I/O操作，驱动程序使用submit_bio()提交此结构。

此时，文件上下文已消失。bio层不跟踪用户状态或系统调用来源，仅专注于移动数据：哪些页、哪些扇区、哪个方向。它可能通过多队列（blk-mq）框架合并、拆分或调度bio，将其转换为特定于设备的请求。

栈的末端是设备驱动程序，它不关心请求的触发原因或数据代表什么，其工作是将请求转换为硬件命令：设置DMA、发出操作并处理完成。它执行I/O时对文件、路径或进程一无所知。

I/O栈具有可扩展性，因为每层都坚守自己的角色：VFS解释结构，bio描述I/O，驱动程序执行操作。没有任何一层承担其他层的职责。

设备映射器（Device Mapper）的存在正因这种设计，它干净地适配于bio和驱动程序之间，为加密、镜像或配置提供虚拟块设备，而不触及VFS或文件系统逻辑。它处理bio并传递它们，符合块接口。文件系统在上方不变地运行，驱动程序在下方毫无察觉。由于边界稳固，系统保持一致。

Linux I/O栈经久耐用，因为其各层纪律严明。一次读取从VFS开始，变为bio，并在驱动程序中完成。像设备映射器或回环设备这样的可选层可以拦截或转换请求，而不破坏模型。像eBPF这样的工具可以观察路径而不干扰。

内核看不到文件，它看到的是任务：解析、传输、完成。每一层都恰如其分地做自己该做的事，不多不少，这正是它运作的原因。