전체 흐름
블록·저장장치 계층은 페이지 캐시와 파일시스템의 요청을 장치 큐에 배치한다. bio와 request의 수명, 요청 병합 정책, 하드웨어 큐 배정을 구분해 살펴봐야 한다.
함수의 입력과 처리 결과를 먼저 확인한다. 구조체를 생성하고 연결하는 시점, 다른 코드에서 사용할 수 있게 하는 시점, 더 이상 사용하지 않아 회수하는 시점을 구분한다.
정상 처리와 오류 처리를 함께 확인한다. 오류 복구, 장치의 실행 중 연결·분리(hotplug), 자원 해제 과정에서도 상태가 올바르게 정리되는지 점검한다.
왼쪽부터 처리 단계를 나열했다. 각 코드 조각에서 바뀌는 상태를 해당 단계와 대조한다.
소스 코드 위치
먼저 확인할 Linux 6.18.37 LTS 소스 파일
Linux 6.18.37 LTS: block/bio.c
Linux 6.18.37 LTS: include/linux/bio.h
Linux 6.18.37 LTS: block/blk-core.c
설명: 진입 함수가 있는 파일과 구조체 정의, 아키텍처별 연결 코드, 콜백 구현을 함께 확인한다. 여러 파일을 대조해야 호출 관계와 각 코드의 역할을 알 수 있다.
GitHub 원본:
대표 코드
bio_alloc_bioset
bio_alloc_bioset 함수 전체 (89줄)
struct bio *bio_alloc_bioset(struct block_device *bdev, unsigned short nr_vecs,
blk_opf_t opf, gfp_t gfp_mask,
struct bio_set *bs)
{
gfp_t saved_gfp = gfp_mask;
struct bio *bio;
void *p;
/* should not use nobvec bioset for nr_vecs > 0 */
if (WARN_ON_ONCE(!mempool_initialized(&bs->bvec_pool) && nr_vecs > 0))
return NULL;
if (opf & REQ_ALLOC_CACHE) {
if (bs->cache && nr_vecs <= BIO_INLINE_VECS) {
bio = bio_alloc_percpu_cache(bdev, nr_vecs, opf,
gfp_mask, bs);
if (bio)
return bio;
/*
* No cached bio available, bio returned below marked with
* REQ_ALLOC_CACHE to particpate in per-cpu alloc cache.
*/
} else {
opf &= ~REQ_ALLOC_CACHE;
}
}
/*
* submit_bio_noacct() converts recursion to iteration; this means if
* we're running beneath it, any bios we allocate and submit will not be
* submitted (and thus freed) until after we return.
*
* This exposes us to a potential deadlock if we allocate multiple bios
* from the same bio_set() while running underneath submit_bio_noacct().
* If we were to allocate multiple bios (say a stacking block driver
* that was splitting bios), we would deadlock if we exhausted the
* mempool's reserve.
*
* We solve this, and guarantee forward progress, with a rescuer
* workqueue per bio_set. If we go to allocate and there are bios on
* current->bio_list, we first try the allocation without
* __GFP_DIRECT_RECLAIM; if that fails, we punt those bios we would be
* blocking to the rescuer workqueue before we retry with the original
* gfp_flags.
*/
if (current->bio_list &&
(!bio_list_empty(¤t->bio_list[0]) ||
!bio_list_empty(¤t->bio_list[1])) &&
bs->rescue_workqueue)
gfp_mask &= ~__GFP_DIRECT_RECLAIM;
p = mempool_alloc(&bs->bio_pool, gfp_mask);
if (!p && gfp_mask != saved_gfp) {
punt_bios_to_rescuer(bs);
gfp_mask = saved_gfp;
p = mempool_alloc(&bs->bio_pool, gfp_mask);
}
if (unlikely(!p))
return NULL;
if (!mempool_is_saturated(&bs->bio_pool))
opf &= ~REQ_ALLOC_CACHE;
bio = p + bs->front_pad;
if (nr_vecs > BIO_INLINE_VECS) {
struct bio_vec *bvl = NULL;
bvl = bvec_alloc(&bs->bvec_pool, &nr_vecs, gfp_mask);
if (!bvl && gfp_mask != saved_gfp) {
punt_bios_to_rescuer(bs);
gfp_mask = saved_gfp;
bvl = bvec_alloc(&bs->bvec_pool, &nr_vecs, gfp_mask);
}
if (unlikely(!bvl))
goto err_free;
bio_init(bio, bdev, bvl, nr_vecs, opf);
} else if (nr_vecs) {
bio_init_inline(bio, bdev, BIO_INLINE_VECS, opf);
} else {
bio_init(bio, bdev, NULL, 0, opf);
}
bio->bi_pool = bs;
return bio;
err_free:
mempool_free(p, &bs->bio_pool);
return NULL;
}확인 사항: 이 코드에서는 반환값보다 상태 변경을 먼저 확인한다. 어느 잠금을 획득한 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패 시 어느 레이블로 분기하는지, 변경된 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 사용하는지 추적한다.
submit_bio
void submit_bio(struct bio *bio)
{
if (bio_op(bio) == REQ_OP_READ) {
task_io_account_read(bio->bi_iter.bi_size);
count_vm_events(PGPGIN, bio_sectors(bio));
} else if (bio_op(bio) == REQ_OP_WRITE) {
count_vm_events(PGPGOUT, bio_sectors(bio));
}
bio_set_ioprio(bio);
submit_bio_noacct(bio);
}
submit_bio()의 정의는 block/bio.c가 아니라 block/blk-core.c에 있다. bio를 제출하는 것과 I/O가 끝나는 것은 별도 사건이다. 제출 뒤 completion callback과 bio 수명 규약을 지켜야 하며, 함수 반환만을 데이터 영속성 보장으로 해석하지 않는다.
함수별 분석
상위 계층의 page/sector I/O를 block layer가 이해하는 segment list로 표현하는 기본 단위다.
원본 코드를 함수별로 나누어 살펴본다. 각 함수가 준비하는 값과 다음 함수가 그 값을 사용하는 방식을 확인한다.
각 단계의 입력과 처리 결과를 연결해 본다. 다음 단계로 넘어가기 전에 바뀌는 필드를 코드에서 확인한다.
1. bio_alloc_bioset
bio_alloc_bioset 주변에서는 bio.bi_iter를 중심으로 본다. 이 필드는 sector and length cursor 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 bio allocated 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.
원본 코드에서 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 segment container 확보을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: bio completion을 request completion과 같은 객체로 봄
2. submit_bio
submit_bio 주변에서는 bio_vec를 중심으로 본다. 이 필드는 page segments 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 pages attached 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.
원본 코드에서 입력 범위 검사, 주요 필드 변경, 다른 계층에서 사용할 수 있게 하는 시점, 실패 시 복구 순서를 확인한다. 이 조건을 만족해야 다음 함수가 payload 연결을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: bi_iter가 consume되며 변한다는 점을 놓침
| 함수 | 입력 | 상태 변경 | 확인할 사항 |
|---|---|---|---|
| bio_alloc_bioset | bio.bi_iter, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건 | bio allocated: segment container 확보 | bio completion을 request completion과 같은 객체로 봄 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
| submit_bio | bio_vec, 호출 시 실행 문맥, 하위 시스템의 준비 조건 | pages attached: payload 연결 | bi_iter가 consume되며 변한다는 점을 놓침 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
구조체와 필드
구조체의 필드를 언제 바꿀 수 있고 다른 코드가 언제 읽을 수 있는지 확인한다. 필드의 의미와 함께 잠금 등 접근을 보호하는 규칙을 살펴본다.
각 단계에서 읽고 쓰는 필드를 구조체 정의와 대조한다.
어떤 코드가 필드를 변경하고 어떤 방식으로 접근을 보호하는지, 객체를 언제 해제하는지 원본 코드에서 확인한다.
| 필드 | 읽는 법 |
|---|---|
| bio.bi_iter | sector and length cursor |
| bio_vec | page segments |
| bi_end_io | completion callback |
| bi_status | error propagation |
실행 단계와 상태 변화
실행 단계를 따로 정리하면 정상 경로와 실패 경로를 나란히 비교할 수 있다. 커널 문제는 최종 결과보다 준비가 덜 된 중간 상태를 다른 코드에 공개한 뒤, 실패 시 제대로 정리하지 못할 때 자주 발생한다.
화살표는 정상 진행 방향을 나타낸다. 중간 단계에서 실패하면 각 단계의 오류 처리 또는 대체 경로로 이동한다.
| 상태 | 의미 | 진입 조건 | 깨지는 지점 |
|---|---|---|---|
| bio allocated | segment container 확보 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| pages attached | payload 연결 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| submitted | block layer로 전달 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
| endio | upper layer callback 실행 | 앞 단계의 준비와 오류 처리가 끝난 뒤 | 다음 단계가 준비되지 않은 상태를 사용하거나 필요한 정리를 늦출 때 |
불변 조건과 실패 사례
bio의 핵심 객체가 외부에 공개된 뒤에는 마지막 참조가 사라질 때까지 해제 경로가 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.
다른 CPU나 하위 계층이 변경된 필드를 읽는다면 잠금과 메모리 배리어가 접근 순서를 어떻게 보장하는지 확인한다. 참조 횟수와 RCU로 관리하는 객체 수명도 별도로 확인한다.
중간 단계에서 실패하면 이미 확보한 자원을 의존 관계에 맞춰 해제해야 한다. goto 레이블이 많다면 각 분기에 도달했을 때 확보한 자원을 표로 정리한다.
임베디드 보드를 처음 구동할 때는 패닉 대신 로그 중단, 시간 초과, 장치 초기화 지연, 과도한 인터럽트 같은 증상으로 문제가 드러날 수 있다.
bio completion을 request completion과 같은 객체로 봄
bi_iter가 consume되며 변한다는 점을 놓침
bio chaining에서 parent completion 조건을 빼먹음
계측과 검증
로그를 무작정 추가하지 말고 확인할 가설을 먼저 세운다. 상태표에서 처리가 멈춘 단계를 찾은 뒤, 상태를 바꾸는 함수와 그 결과를 사용하는 함수를 함께 살펴본다.
로그가 출력되었다고 처리가 끝난 것으로 판단하지 않는다. 원본 코드에서 로그 앞뒤의 필드 변경을 확인한다.
| 도구 | 보는 것 |
|---|---|
| block_bio_* tracepoints | bio 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| blktrace | bio 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| bpftrace bio_endio | bio 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
| ftrace:submit_bio | bio 실행이 어느 단계에서 멈추는지 확인 |
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe
추가 확인 사항
- bio 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
- bio 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
- 실험으로 확인한다면 'bio completion을 request completion과 같은 객체로 봄' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
- 실험으로 확인한다면 'bi_iter가 consume되며 변한다는 점을 놓침' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?