学习笔记10
一、块设备IO
1.块设备基本概念
块设备将信息存储在固定大小的块中，每个块都有自己的地址。对操作系统而言，块设备是以字符设备的外观展现的，例如/dev/sda，虽然对这种字符设备可以按照字节为单位访问，但是实际上到块设备上却是以块为单位（最小512byte，即一个扇区），这之间的转换是由操作系统来实现的。
下面介绍几个块设备的基本概念：
1）扇区：磁盘盘片上的扇形区域，逻辑化数据，方便管理磁盘空间，是硬件设备数据传送的基本单位，一般512Byte；
2）块：块是VFS和文件系统数据传送的基本单位，必须是扇区的整数倍，格式化文件系统时，可以指定块大小（一般512,1024,2048,4096字节）；
3）段：一个内存页或者内存页中的一部分，包含一些相邻磁盘扇区中的数据；磁盘的每个I/O操作就是在磁盘与一些RAM单元之间相互传一些相邻扇区的内容，大多数情况下，磁盘控制器采用DMA方式进行数据传送。如果不同的段在RAM中相应的页框是连续的并且在磁盘上相应的数据块也是相邻的，就可以在通用块层合并它们，产生更大的内存区域，这个区域称为物理段。
通常情况下，我们是通过文件系统来访问块设备，也可以直接使用裸设备，通过指定偏移和大小来读写裸设备。
常见的块存储设备就是物理磁盘，在Linux系统下，还提供基于其他块设备之上的逻辑设备，如Device Mapper，软RAID等。
2.块设备I/O栈
2.1基本概念
介绍块设备的I/O栈之前，我们先来了解一下块I/O栈的几个基本概念。
1）bio：bio是通用块层I/O请求的数据结构，表示上层提交的I/O请求，一个bio包含多个page，这些page必须对应磁盘上一段连续的空间。由于文件在磁盘上并不连续存放，文件I/O提交到块设备之前，极有可能被拆成多个bio结构；
2）request：表示块设备驱动层I/O请求，经由I/O调度层转换后的I/O请求，将会发到块设备驱动层进行处理；
3）request_queue： 维护块设备驱动层I/O请求的队列，所有的request都插入到该队列，每个磁盘设备都只有一个queue（多个分区也只有一个）；
这3个结构的关系如下图示：一个request_queue中包含多个request，每个request可能包含多个bio，请求的合并就是根据各种原则将多个bio加入到同一个requesst中。
二、I/O缓冲区
一、缓冲区的概念和作用
缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区。
使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如存储器管理中所用的相联寄存器，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的相联寄存器来存放页表项的副本）
一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，“设备独立性软件”的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区
缓冲区的作用如下：
- 缓和 CPU 与 I/O 设备之间速度不匹配的矛盾
- 减少对 CPU 的中断频率，放宽对 CPU 中断相应时间的限制
- 解决数据粒度不匹配的问题（如：输出进程每次可以生成一块数据，但 I/O 设备每次只能输出一个字符）
- 提高 CPU 与 I/O 设备之间的并行性
三、缓冲区管理算法
1.实现菜单显示及相应处理
显示菜单实现函数:
void show_menu()
{
printf("------ 1. Linux ------\n");
printf("------ 2. Windows ------\n");
printf("------ 3. Mac OS ------\n");
printf("please input:[1 - 3]: ");
}
main函数:
int main(void)
{
int n;
int quit = 0;
while (!quit)
{
show_menu();
scanf("%d", &n);
switch(n)
{
case 1:
printf("\nos: Linux\n\n");
break;
case 2:
printf("\nos: Windows\n\n");
break;
case 3:
printf("\nos: Mac OS\n\n");
break;
case -1:
quit = 1;
break;
default:
break;
}
}
return 0;
}
如上程序若键入数字可以正确运行，但是键入非数字的字符，程序便陷入循环打印中。
scanf()和getchar()函数都是从标准输入中去获取数据，前者获取成功返回获取到的数据个数，失败返回0；后者获取一个字符，获取成功返回该字符，失败返回-1。程序之所以会陷入循环打印中，是因为标准输入缓冲区的缘故:scanf函数会先从输入缓存区获取数据，假设输入缓存区数据为空就会去终端陷入阻塞获取，反之就去读缓存区上的数据。在这它要获取的是int型的数据，假设程序使用者键入的是非数字的字符，那么scanf获取数据失败，缓存区上的非数字数据会一直遗留(若是数字数据会被读取，缓存区就不存在该数据)，程序会往下执行。下次调用scanf时候，同理会先去判断缓冲区上的数据，缓冲区有数据，所以不会使得终端阻塞等待输入，但该数据又不是int型数据，依次获取失败，程序又会接下往下执行…因此便陷入循环了。解决办法就是不管scanf()函数获取成功与否，都把输入缓存区的数据清空。
在Linux启动时候会启动bash进程，该进程会默认打开着3个设备文件。由于Linux上最小的文件描述符是从0开始，且打开文件时 返回最小可用文件描述符，所以它们的文件描述符分别为0、1、2。
既然知道了文件的描述符，那么自然可以调用系统调用open、write来读写文件了:
int main(void)
{
int ret;
int i;
char buf[1024] = {};
//往标准输出缓冲区写入数据
write(1, "hello\n", 6); //在终端打印"hello\n"
//读取标准输入缓存区的数据
ret = read(0, buf, 1024); //阻塞获取终端输入
for (i = 0; i < 1024; i++)
printf("%c", buf[i]);
return 0;
}
三、代码练习
https://gitee.com/zhang_yu_peng/practice-code/blob/master/代码练习.cpp
