Unix/Linux系统编程自学笔记-第十二章:块设备I/O和缓冲区管理

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• 概念介绍
• Unix系统的 I/O缓冲区管理算法
• 新的I/O缓冲区管理算法

概念介绍

1. 块设备I/O缓冲区

   用来代替磁盘I/O的文件存取方法，基本原理是使用一系列的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，将数据读入缓冲区中，再从缓冲区中读取数据。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。

2. 基本定义

   • bread(dev , blk)函数

     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;		 //issue READ operation
     	start_io(bp);
     	wait for I/O complete;
     	return bp;
     }
     

   • write_block(dev , blk , data)函数

     释放缓冲区

     write_block(dev , blk , data)
     {
     	BUFFER *bp = bread(dev , data) //write data for U space
     	write data to bp;
     	(synchronous write)? bwrite(bp) : dwrite(bp);
     }
     

     其中bwrite(bp)表示同步写入，一般用于USB驱动器之类的设备。

     dwrite(bp)表示延迟写入，是随机访问设备如硬盘所使用的写操作方式，dwrite会将缓冲区标记为脏，脏缓冲区只有在被重新分配到不同的磁盘块时才会被写入磁盘。

   3. 物理块设备I/O

      每个设备都有一个I/O队列，其中包含等待I/O操作的缓冲区。

      缓冲区上的start_io()操作如下:

      start_io(BUFFER *bp)
      {
      	enter bp into device I/O queue;
      	if (bp is first buffer in I/O queue)
      		issue I/O command for bp to device;
      }
      

      当I/O操作完成后,设备中断处理程序会完成当前缓冲区上的I/O操作,并启动I/O队列中的下一个缓冲区的I/O。设备中断处理程序的算法如下：

      InterruptHandler()
      {
      	bp = dequeue(device I/O queue); //bp = remove head of I/O queue
      	(bp -> opcode == ASYNC)? brelse(bp) : unblock process on bp;
      	if (!empty(device I/O queue))
      		issue I/O command for first bp in I/O queue;
      }
      

Unix系统的 I/O缓冲区管理算法

1. Unix系统的I/O缓冲区管理子系统一般有以下个5部分:
   • I/O缓冲区:内核中的一系列NBUF缓冲区
   • 设备表:每个块设备用一个设备表结构表示
   • 缓存区初始化:系统启动时的I/O缓冲区都处在空闲列表,所有设备列表和I/O队列皆为空\
   • 缓冲区列表:当缓冲区被分配给(dev , blk)时,插入设备列表的dev_list中
   • Unix get/brelse算法:用于重新分配缓冲区
2. 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。
   • 该算法使用只适用于单处理器系统的休眠/唤醒操作

新的I/O缓冲区管理算法

1. Unix算法虽然简单，但也有许多缺点，所以需要一个更可靠的I/O缓冲区管理算法。这个新的算法即使用信号量的缓冲区管理算法。

2. 使用信号量的缓冲区管理算法

   使用P/V信号量实现进程同步的算法：

   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);
   }
   

3. P/V算法的正确性验证

   • 缓冲区唯一
   • 无重试循环
   • 无不必要唤醒
   • 缓存效果
   • 无死锁或饥饿