20191320-2021-2022-1-diocs 学习笔记10
第12章 块设备I/O和缓冲区管理
块设备I/O缓冲区
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。
- 大多数文件系统使用I/O缓冲来减少进出存储设备的物理I/O数量一合理设计的I/O缓冲方案可显著提高文件I/O效率并增加系统吞吐量。
- 文件系统使用一系列IO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,将数据从磁盘读入缓冲区,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,以延迟写人,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L/O。脏缓冲区只有在被重新分配到不同的块时才会写入磁盘。
- 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)。
BUFFER *bread(dev,blk)
{
BUFFER *bp =» getblk(dev,blk)} // get a buffer for (dev,blk) if (bp data valid)
return bp;
bp->opcode = READ; II issue READ operation
start_lo(bp): // ntart I/O on device
wait for I/O completion
write_block(devf blk, data)
bwrite(BUFFER *bp)( bp->opcode = WRITE; start_io(bp); wait for I/O completion; brelse(bp); // release bp
BUFFER *bp = bread(dev,blk); // read in the disk block first
write data to bp;
(synchronous write)? bwrite(bp) : dwrite(bp);
Unix I/O缓冲区管理算法
Unix算法的缺点:
- 效率低下:该算法依赖于重试循环,例如,释放缓冲区可能会唤醒两组进程:需要释放的缓冲区的进程,以及只需要空闲缓冲区的进程。由于只有一个进程可以获取释放的缓冲区,所以,其他所有被唤醒的进程必须重新进入休眠状态。从休眠状态唤醒后,每个被唤醒的进程必须从头开始重新执行算法,因为所需的缓冲区可能已经存在。这会导致过多的进程切换。
- 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。
相关数据结构定义代码:
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
PV算法——新I/O缓冲管理算法
BUFFER *getb1k(dev,blk):
while(1){(1). P(free);
//get a free buffer first if (bp in dev_1ist){(2). if (bp not BUSY){
remove bp from freelist;P(bp);
// lock bp but does not wait
(3).return bp;
// bp in cache but BUSY V(free);
// give up the free buffer
(4).P(bp);
// wait in bp queue
return bp;v
// bp not in cache,try to create a bp=(dev,blk)
(5).bp = frist buffer taken out of freelist;P(bp);
// lock bp,no wait
(6).if(bp dirty){
awzite(bp);
// write bp out ASYNC,no wait
continue;
// continue from (1)
(7).reassign bp to(dev,blk);1/ mark bp data invalid,not dir return bp;-
// end of while(1);
brelse(BUFFER *bp),
{
(8).iF (bp queue has waiter)( V(bp); return; ]
(9).if(bp dirty && free queue has waiter){ awrite(bp);zeturn;}(10).enter bp into(tail of) freelist;V(bp);V(free);
}
代码链接
代码包括一些以前的代码,在码云。链接:https://gitee.com/Ressurection20191320/code/tree/master/IS