可写RAM块设备：实现一个简单的可读写的RAM磁盘驱动

引言

RAM磁盘是一种将计算机内存模拟为磁盘驱动的技术。它允许我们使用内存作为存储介质，提供极快的读写速度。在本章中，我们将探索如何在Linux内核中实现一个简单的可读写RAM块设备驱动。

RAM磁盘驱动的基本概念

RAM磁盘驱动是一种块设备驱动，它使用系统内存来模拟物理磁盘。与真实磁盘相比，RAM磁盘具有以下特点：

• 高速读写：由于数据存储在内存中，访问速度非常快
• 易失性存储：系统重启后数据会丢失
• 无需物理设备：完全由软件实现，不需要额外的硬件

实现步骤

1. 定义设备结构体和管理数据结构
2. 实现模块初始化和清理函数
3. 注册块设备操作
4. 实现读写请求处理
5. 创建设备节点和测试

关键数据结构

结构体	描述
struct ramdisk_dev	自定义设备结构体，包含设备数据和状态信息
struct request_queue	请求队列，用于管理块设备的I/O请求
struct gendisk	通用磁盘结构，表示一个磁盘设备
struct block_device_operations	块设备操作函数集，包含打开、释放、IO控制等操作

代码实现示例

以下是一个简化版的RAM磁盘驱动实现：

设备结构定义

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/genhd.h>
#include <linux/blkdev.h>
#include <linux/vmalloc.h>

#define RAMDISK_SIZE (1024 * 1024)  // 1MB

struct ramdisk_dev {
    unsigned char *data;
    struct request_queue *queue;
    struct gendisk *gd;
};

static struct ramdisk_dev *dev;

请求处理函数

static void ramdisk_request(struct request_queue *q)
{
    struct request *req;
    
    while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) {
        struct ramdisk_dev *dev = req->rq_disk->private_data;
        unsigned long offset = blk_rq_pos(req) << 9;
        unsigned long len = blk_rq_bytes(req);
        
        if (offset + len > RAMDISK_SIZE) {
            printk(KERN_ERR "ramdisk: request out of range\n");
            __blk_end_request_all(req, -EIO);
            continue;
        }
        
        if (rq_data_dir(req) == WRITE)
            memcpy(dev->data + offset, bio_data(req->bio), len);
        else
            memcpy(bio_data(req->bio), dev->data + offset, len);
        
        __blk_end_request_all(req, 0);
    }
}

模块初始化

static int __init ramdisk_init(void)
{
    dev = kzalloc(sizeof(struct ramdisk_dev), GFP_KERNEL);
    if (!dev)
        return -ENOMEM;
    
    dev->data = vmalloc(RAMDISK_SIZE);
    if (!dev->data) {
        kfree(dev);
        return -ENOMEM;
    }
    
    dev->queue = blk_init_queue(ramdisk_request, NULL);
    if (!dev->queue) {
        vfree(dev->data);
        kfree(dev);
        return -ENOMEM;
    }
    
    dev->gd = alloc_disk(1);
    if (!dev->gd) {
        blk_cleanup_queue(dev->queue);
        vfree(dev->data);
        kfree(dev);
        return -ENOMEM;
    }
    
    dev->gd->major = RAMDISK_MAJOR;
    dev->gd->first_minor = 0;
    dev->gd->fops = &ramdisk_ops;
    dev->gd->queue = dev->queue;
    dev->gd->private_data = dev;
    snprintf(dev->gd->disk_name, 32, "ramdisk");
    set_capacity(dev->gd, RAMDISK_SIZE >> 9);
    
    add_disk(dev->gd);
    
    printk(KERN_INFO "ramdisk: initialized with %d kB\n", RAMDISK_SIZE/1024);
    return 0;
}

模块清理

static void __exit ramdisk_exit(void)
{
    if (dev) {
        if (dev->gd) {
            del_gendisk(dev->gd);
            put_disk(dev->gd);
        }
        if (dev->queue)
            blk_cleanup_queue(dev->queue);
        if (dev->data)
            vfree(dev->data);
        kfree(dev);
    }
    printk(KERN_INFO "ramdisk: removed\n");
}

module_init(ramdisk_init);
module_exit(ramdisk_exit);

测试方法

加载驱动后，可以使用以下命令测试RAM磁盘：

# 加载模块
sudo insmod ramdisk.ko

# 查看设备
ls -l /dev/ramdisk

# 创建文件系统
sudo mkfs.ext4 /dev/ramdisk

# 挂载设备
sudo mount /dev/ramdisk /mnt

# 测试读写
echo "Hello RAM Disk" > /mnt/test.txt
cat /mnt/test.txt

# 卸载和移除
sudo umount /mnt
sudo rmmod ramdisk

总结

通过本章学习，我们了解了如何实现一个简单的RAM磁盘驱动。这种驱动虽然简单，但包含了块设备驱动的基本要素：设备注册、请求处理、内存管理和用户空间接口。RAM磁盘驱动是理解Linux块设备子系统的一个很好的起点，也为更复杂的存储设备开发奠定了基础。