20191214-学习笔记10

第十二章学习笔记

一、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:表明了简单的 PV 算法易于实现，缓存效果好，不存在死锁和饥饿问题;还提出了一个比较 Unix 缓冲区管理算法和 PV算法性能的编程方案。

二、学到了什么

1.块设备I/O缓冲区

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。

2.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。每一个缓冲区用结构体标识。

（2）设备表：每个块设备用一个设备表结构表示。

（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USY并从空闲列表中删除。繁忙缓冲区也可能回在设备表的I/O队列中。

（5）Unix getblk/brelse算法

Unix算法的优点：

数据的一致性；

缓存效果；

临界区；

Unix算法的缺点：

效率低下；

缓存效果不可预知；

可能会出现饥饿；

该算法使用只适用于单处理系统的休眠/唤醒操作。

3.新的I/O缓冲区管理算法

在信号量上使用P/V来实现进程同步，而不是使用休眠/唤醒。与休眠/唤醒相比，信号量的主要优点是：

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”。

(4)无死锁和饥饿。

首先定义以下信号量

4.PV算法

  empty[s2] = m;
  full[s2] = 0;

  while(1)//写进程
  {
  for(i = 0; i< s2; i++)
  {
  P(empty[i]);
  }
  P(mutex);
  //	消息放入缓冲区；
  V(mutex);
  for(i = 0; i< s2; i++)
  {
  V(full[i]);
  }
  }


  while(1)//读进程
  {
  P(full[i]);
  P(mutex);
  //读取缓冲区；
  V(mutex);
  V(empty[i]);
  }

三、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。

源代码：

    #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;
    }

输出结果：