第十二章学习笔记

第十二章学习笔记

摘要

• 本章讨论了块设备 I/O 和缓冲区管理;
• 解释了块设备 I/O 的原理和 I/O 缓冲的优点;
• 论述了 Unix 的缓冲区管理算法，并指出了其不足之处;
• 还利用信号量设计了新的缓冲区管理算法，以提高 1/O 缓冲区的缓存效率和性能;

块设备I/O缓冲区

• I/O缓冲的基本原理非常简单。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。同样，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。由于脏缓冲区包含有效的数据，因此可以使用它来满足对同一块的后续读/写请求，而不会引起实际磁盘I/O。脏缓冲区只有在被重新分配到不同的块时才会写人磁盘。

Unix I/O缓冲区管理算法

• （1）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;
  // assigmed disk block;int opcode;
  // READ|wRITE int dirty;
  // buffer data modified
  int async;
  // ASYNC write flag int valid;
  //buffer data valid int buay;
  // buffer is in use int wanted;
  // some process needs this buffer struct semaphore lock=1; /
  // buffer locking semaphore; value=1
  struct semaphore iodone=0;// for process to wait for I/0 completion;// block data area char buf[BLKSIZE];)
  } BUFFER;
  BUFFER buf[NBUF],*freelist;// NBUF buffers and free buffer list

  （2）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 // device buffer list BUFFER *dev_list;BUFFER*io_queue
  // device I/0 queue ) devtab[NDEV];

  （3）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I/O队列均为空。

  （4）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。繁忙缓冲区

  也可能会在设备表的I/O队列中。

• Unix算法的缺点：1.效率低下；2.缓存效果不可预知；3.可能会出现饥饿；4.该算法使用只适用于单处理系统的休眠/唤醒操作。

新的I/O缓冲区管理算法

• 信号量的主要优点是：
  (1)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。
  (2)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。
• Box#1:用户界面﹐这是模拟系统的用户界面部分，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，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
• Box#2：多任务处理系统的CPU端，模拟单处理器（单CPU)文件系统的内核模式。当系统启动时，它会创建并运行一个优先级最低的主任务，但它会创建ntask工作任务，所有任务的优先级都是1，并将它们输人readyQueue。然后，主任务执行以下代码，该代码将任务切换为从readyQueue运行工作任务。
• Box#3:磁盘控制器，它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。
• 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IO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。通常，虚拟CPU会在临界区屏蔽出/人磁盘中断（信号)。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。
• 虚拟磁盘：Box#4：Linux文件模拟的虚拟磁盘。使用Linux系统调用lseek()、read(和write()，支持虚拟磁盘上的任何块I/O操作。为了简单起见，将磁盘块大小设置为16字节。由于数据内容无关紧要，所以可以将它们设置为16个字符的固定序列。

实践

• perror()函数
  • perror(s) 用来将上一个函数发生错误的原因输出到标准设备(stderr)。参数 s 所指的字符串会先打印出，后面再加上错误原因字符串。此错误原因依照全局变量errno的值来决定要输出的字符串。
• 代码：
  

  #include <stdio.h>
  #include <errno.h>
  #include <stdlib.h>
  int main()
  
  {
  
  FILE* fd;
  
  fd = fopen("/src/hello","r");
  
  if(NULL == fd)
  
  {
  
  perror("can not open file");
  
  return -1;
  
  }
  
  return 0;
  
  }

   

• 运行截图

使用setvbuf函数改变终端原有的行缓冲为无缓冲
（第一个sleep3秒时 hotice0不会显示，打印test\n时会将hotice0一起显示，而后面的hotice0会直接打印出来）