읽는 지도
block/storage 계층은 page cache나 filesystem 요청을 device queue scheduling 문제로 바꾼다. bio와 request의 lifetime, merge policy, hardware queue mapping을 구분해서 읽어야 한다.
함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.
정상 경로와 실패 경로를 같은 무게로 본다. kernel code의 품질은 성공 path보다 error unwind, hotplug, teardown에서 더 잘 드러난다.
왼쪽은 입력 또는 상위 계층이고, 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 문C식으로 읽을 때는 이 그림을 먼저 머리에 놓고 코드 조각을 끼워 넣는다.
원본 코드 좌표
Linux 6.18.37 LTS에서 열 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.c설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.
GitHub 원본:
대표 코드
bio_alloc_bioset
* @bdev: block device to use the bio for
* @opf: operation and flags for bio
*
* Description:
* After calling bio_reset(), @bio will be in the same state as a freshly
* allocated bio returned bio bio_alloc_bioset() - the only fields that are
* preserved are the ones that are initialized by bio_alloc_bioset(). See
* comment in struct bio.
*/
void bio_reset(struct bio *bio, struct block_device *bdev, blk_opf_t opf)
{
bio_uninit(bio);
memset(bio, 0, BIO_RESET_BYTES);
atomic_set(&bio->__bi_remaining, 1);
bio->bi_bdev = bdev;
if (bio->bi_bdev)
bio_associate_blkg(bio);
bio->bi_opf = opf;
}
EXPORT_SYMBOL(bio_reset);
static struct bio *__bio_chain_endio(struct bio *bio)
{
struct bio *parent = bio->bi_private;
if (bio->bi_status && !parent->bi_status)
parent->bi_status = bio->bi_status;
bio_put(bio);
return parent;
}
static void bio_chain_endio(struct bio *bio)
{
bio_endio(__bio_chain_endio(bio));
}
/**
* bio_chain - chain bio completions
* @bio: the target bio
* @parent: the parent bio of @bio읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.
submit_bio
{
struct bio *new = bio_alloc(bdev, nr_pages, opf, gfp);
if (bio) {
bio_chain(bio, new);
submit_bio(bio);
}
return new;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(blk_next_bio);
static void bio_alloc_rescue(struct work_struct *work)
{
struct bio_set *bs = container_of(work, struct bio_set, rescue_work);
struct bio *bio;
while (1) {
spin_lock(&bs->rescue_lock);
bio = bio_list_pop(&bs->rescue_list);
spin_unlock(&bs->rescue_lock);
if (!bio)
break;
submit_bio_noacct(bio);
}
}
static void punt_bios_to_rescuer(struct bio_set *bs)
{
struct bio_list punt, nopunt;
struct bio *bio;
if (WARN_ON_ONCE(!bs->rescue_workqueue))
return;
/*
* In order to guarantee forward progress we must punt only bios that
* were allocated from this bio_set; otherwise, if there was a bio on
* there for a stacking driver higher up in the stack, processing it읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.
함수별 독해
상위 계층의 page/sector I/O를 block layer가 이해하는 segment list로 표현하는 기본 단위다.
이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.
각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.
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 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 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 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 payload 연결을 전제로 삼을 수 있다.
자주 틀리는 해석: bi_iter가 consume되며 변한다는 점을 놓침
| 함수 | 입력 | 상태 변경 | 검증 질문 |
|---|---|---|---|
| bio_alloc_bioset | bio.bi_iter, caller context, subsystem 전제 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, caller context, subsystem 전제 조건 | pages attached: payload 연결 | bi_iter가 consume되며 변한다는 점을 놓침 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가 |
구조체 / 필드 해설
여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 박사급 리뷰에서는 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.
필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.
| 필드 | 읽는 법 | 확인 |
|---|---|---|
| bio.bi_iter | sector and length cursor | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| bio_vec | page segments | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| bi_end_io | completion callback | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
| bi_status | error propagation | 누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인 |
상태 전이 그림
상태 전이를 따로 그리는 이유는 정상 path와 실패 path를 같은 표에서 보기 위해서다. 커널 regression은 흔히 마지막 상태가 아니라 중간 상태를 외부에 publish한 뒤 rollback하지 못해서 생긴다.
상태 전이는 단방향처럼 그렸지만, 실패 경로에서는 대부분 역순 rollback이 붙는다.
| 상태 | 의미 | 진입 조건 | 깨지는 지점 |
|---|---|---|---|
| bio allocated | segment container 확보 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| pages attached | payload 연결 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| submitted | block layer로 전달 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
| endio | upper layer callback 실행 | 앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤 | 다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때 |
불변조건 / 실패 케이스
bio 의 중심 객체가 publish된 뒤에는 마지막 참조가 사라지기 전까지 teardown path가 모든 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.
상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.
중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.
embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.
bio completion을 request completion과 같은 객체로 봄
bi_iter가 consume되며 변한다는 점을 놓침
bio chaining에서 parent completion 조건을 빼먹음
계측 / 검증
계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.
| 도구 | 보는 것 | 해석 |
|---|---|---|
| block_bio_* tracepoints | bio 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| blktrace | bio 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| bpftrace bio_endio | bio 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인 |
| ftrace:submit_bio | bio 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인 | 로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 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_pipe연구 질문
- 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?