信息安全系统设计与实现：第十二章学习笔记

20191331 lyx

教材学习内容总结

第十二章信号与信号处理

学习目标

学习理解块设备I/O和缓冲区管理；理解块设备I/O的原理和I/O缓冲的优点；讨论Unix的缓冲区管理算法；掌握PV算法，通过编程项目更好的理解文件系统中的I/O操作。

块设备I/O缓冲区

什么是块设备：块设备是i/o设备中的一类，是将信息存储在固定大小的块中，每个块都有自己的地址，还可以在设备的任意位置读取一定长度的数据，例如硬盘,U盘，SD卡等。

文件系统使用一系列I/O缓冲区作为块设备的缓存内存。当进程试图读取（dev，blk）标识的磁盘块时。它首先在缓冲区缓存中搜索分配给磁盘块的缓冲区。如果该缓冲区存在并且包含有效数据、那么它只需从缓冲区中读取数据、而无须再次从磁盘中读取数据块。如果该缓冲区不存在，它会为磁盘块分配一个缓冲区，将数据从磁盘读人缓冲区，然后从缓冲区读取数据。

当某个块被读入时、该缓冲区将被保存在缓冲区缓存中，以供任意进程对同一个块的下一次读/写请求使用。

当进程写入磁盘块时，它首先会获取一个分配给该块的缓冲区。然后，它将数据写入缓冲区，将缓冲区标记为脏，以延迟写入，并将其释放到缓冲区缓存中。

定义一个bread（dev, blk）函数，它会返回一个包含有效数据的缓冲区(指针)。
从缓冲区读取数据后，进程通过brelse(hp)格缓冲区释放回缓冲区缓存。 write_block(dev, blk, data)函数

Unix I/O缓冲区管理算法

I/O缓冲区:内核中的一系列NBUF缓冲区用作缓冲区缓存。每个缓冲区用一个结构体表示。

typdef struct buf{
struct buf *next_free;	//freelist pointer
struct buf *next_dev；	//dev_list pointer
int dev,blk；	//assigned disk block；
int opcode；	//READ|WRITE
int dirty;	//buffer data modified
int async;	//ASYNC write flag
int valid;	//buffer data valid
int busy;	//buffer is in use
int wanted；		some process needs this buffer
struct, semaphore lock=l ；	//buffer locking semaphore； value=L
struct semaphore iodone=0；	//for process to wait for I/O completion；
char buf[BLKSIZE];	//block data area
} BUFFER;
BUFFER buf[NBUF], *freelist; // NBUF buffers and free buffer list

设备表:每个块设备用一个设备表结构表示。

struct devtab{
u16 dev;           // major device number 
BUFFER *dev_list;  // device buffer list 
BUFFER*io_queue    // device I/0 queue 
}devtab[NDEV];

缓冲区初始化:当系统启动时，所有I/O缓冲区都在空闲列表中，所有设备列表和T/O队列均为空。
缓冲区列表:当缓冲区分配给(dev,blk)时，它会被插入设备表的dev_list中。如果缓冲区当前正在使用，则会将其标记为BUSY(繁忙)并从空闲列表中删除。
Unix getblk/brelse算法
- 数据一致性：为确保数据一致性，getblk一定不能给同一个(dev, blk)分配多个缓冲区这可以通过让进程从休眠状态唤醒后再次执行“重试循环”来实现。读者可以验证分配的每个缓冲区都是唯一的一其次，脏缓冲区在重新分配之前被写出来，这保证了数据的一致性。
- 缓存效果：缓存效果可通过以下方法实现释放的緩冲区保留在设备列表中，以便可能重用，标记为延迟写入的緩冲区不会立即产生I/O,并且可以重用。缓冲区会被释放到空闲列表的末尾,但分配是从空闲列表的前面开始的，这是基于LRU (最近最少使用)原则，它有助于延长所分配缓冲区的使用期，从而提高它们的缓存效果。
- 临界区：设备中断处理程序可操作缓冲区列表，例如从设备表的I/O队列中删除 bp,更改其状态并调用brelse(bp)。所以，在getb汰和brelse中，设备中断在这些临界区中会被屏蔽。这些都是隐含的，但没有在算法中表现出来。

Unix 算法的缺点

效率低下：该算法依赖于重试循环。
缓存效果不可预知：在Unix算法中，每个释放的缓冲区都可被获取，如果缓冲区由需要空闲缓冲区的进程获取，那么将会重新分配缓冲区，即使有些进程仍然需要当前的缓冲区。
可能会出现饥饿：Unix算法基于“自由经济”原则，即每个进程都有尝试的机会，但不能保证成功，因此，可能会出现进程饥饿。
该算法使用只适用丁单处理器系统的休眠/唤醒操作

新的I/O缓冲区管理算法

计数信号量可用来表示可用资源的数量，例如∶空闲缓冲区的数量。
当多个进程等待一个资源时，信号量上的V操作只会释放一个等待进程，该进程不必重试，因为它保证拥有资源。

使用信号量的缓冲区管理算法：
假设有一个单处理器内核（一次运行一个进程）。使用计数信号量上的P/V来设计满足以下要求的新的缓冲区管理算法∶

保证数据一致性。

良好的缓存效果。

高效率∶没有重试循环，没有不必要的进程"唤醒"。

无死锁和饥饿。

PV算法

BUFFER *getb1k(dev,blk)：
while(1){
P(free);
//get a free buffer first 
if (bp in dev_1ist){
if (bp not BUSY){
remove bp from freelist;
P(bp);
// lock bp but does not wait
return bp;
// bp in cache but BUSY 
V(free);
// give up the free buffer
P(bp);
// wait in bp queue
return bp;
// bp not in cache,try to create a bp=(dev,blk)
bp = frist buffer taken out of freelist;
P(bp);
// lock bp,no wait
if(bp dirty){
awzite(bp);
// write bp out ASYNC,no wait
continue;
// continue from (1)
reassign bp to(dev,blk);
// mark bp data invalid,not dir 
return bp;
// end of while(1)；
brelse(BUFFER *bp)，
{
iF (bp queue has waiter)( V(bp); return; }
if(bp dirty && free queue has waiter){ awrite(bp);zeturn;}
enter bp into(tail of) freelist;V(bp);V(free);
}

PV算法的优越性：

缓冲区唯一性
无重试循环
无不必要唤醒
缓存效果
无死锁和饥饿

I/O缓冲区管理算法比较

1.系统组织

用户界面：这是模拟系统的用户界面部分。它会提示输人命令、显示命令执行、显示系统状态和执行结果等。在开发过程中，读者可以手动输入命令来执行任务。在最后测试过程中，任务应该有自己的输入命令序列。例如，各任务可以读取包含命令的输入文件。

2.多任务处理系统

3.磁盘驱动程序

start io（）：维护设备I/O队列，并对I/O 队列中的缓冲区执行 I/O操作。

中断处理程序：在每次I/O操作结束时，磁盘控制器会中断CPU。当接收到中断后，中断处理程序首先从 IntStatus中读取中断状态。

4.磁盘中断

从磁盘控制器到CPU的中断由 SIGUSR1（#10）信号实现。在每次I/O操作结束时，磁盘控制器会发出kill（ppid，SIGUSR1）系统调用，向父进程发送 SIGUSR1信号，充当虚拟CPU中断。

为防止竞态条件，磁盘控制器必须要从CPU接收一个中断确认，才能再次中断。

5.虚拟磁盘

使用Linux系统调用lseek（）、read（）和 write（），我们可以支持虚拟磁盘上的任何块I/O操作。

6.磁盘控制器

磁盘控制器是主进程的一个子进程。因此，它与CPU 端独立运行，除了它们之间的通信通道，通信通道是 CPU和磁盘控制器之间的接口。通信通道由主进程和子进程之间的管道实现。

命令：从 CPU到磁盘控制器的I/O命令。

DataOut：在写操作中从 CPU 到磁盘控制器的数据输出。

DataIn：在读操作中从磁盘控制器到CPU 的数据。

IntStatus：从磁盘控制器到CPU 的中断状态。

IntAck：从CPU到磁盘控制器的中断确认。

缓冲区理解

缓冲区是内存与外设（如硬盘）进行数据交互的媒介。内存与硬盘最大的区别在于，硬盘的作用仅仅是对数据信息以很低的成本做大量数据的断电保存，并不参与运算（因为 CPU 无法到硬盘上寻址），而内存除了需要对数据进行保存以外，更重要的是与 CPU、总线配合进行数据运算。缓冲区则介于两者之间，它既对数据信息进行保存，也能够参与一些像查找、组织之类的间接、辅助性运算。有了缓冲区这个媒介后，对外设而言，它仅需要考虑与缓冲区进行数据交互是否符合要求，而不需要考虑内存如何使用这些交互的数据；对内存而言，它也仅需要考虑与缓冲区交互的条件是否成熟，而不需要关心此时外设对缓冲区的交互情况。两者的组织、管理和协调将由操作系统统一操作。

缓冲区在内存中的位置示例