十一周学习笔记

块设备I/O和缓冲区管理

块设备I/O缓冲区

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) // return a buffer containing valid data
{
BUFFER *bp =» getblk(dev,blk)} // get a buffer for (dev,blk) if (bp data valid)
return bp;
bp->opcode = READ;    // issue READ operation
start_lo(bp):    // ntart I/O on device
wait for I/O completion;
}

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。同理，定义一个 write_block(dev, blk, data)函数：

write_block(devf blk, data)
BUFFER *bp = bread(dev,blk);    // read in the disk block first
write data to bp;
(synchronous write)? bwrite(bp) : dwrite(bp);
bwrite(BUFFER *bp)( bp->opcode = WRITE； start_io(bp); 
wait for I/O completion; 
brelse(bp); // release bp
dwrite(BUFFER *bp)( mark bp dirty for delay_write；
brelse(bp); // release bp

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；    //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

缓冲区结构体由两部分组成：用于缓冲区管理的缓冲头部分和用于数据块的数据部分。为了保护内核内存，状态字段可以定义为一个位向量，其中每个位表示一个唯一的状态条件。
设备表:每个块设备用一个设备表结构表示。
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算法的一些具体说明：

(1 )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。
(2)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,
(3)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。

PV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);
}

Unix算法的缺点：

(1)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。
(2)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。
(3)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
(4)该算法使用只适用丁单处理器系统的休眠/唤醒操作

实践：

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<semaphore.h>
#include<pthread.h>
#define    msleep(x)    usleep(x*1000)
#define PRODUCT_SPEED        3                //生产速度
#define CONSUM_SPEED        1                //消费速度
#define INIT_NUM                3                //仓库原有产品数
#define    TOTAL_NUM                10            //仓库容量
 
sem_t p_sem, c_sem, sh_sem;
int num=INIT_NUM;
 
void product(void)                            //生产产品
{
    sleep(PRODUCT_SPEED);
}
 
int add_to_lib()                                //添加产品到仓库
{
    num++;//仓库中的产品增加一个
    msleep(500);
    return num;
}
 
void consum()                                        //消费
{
    sleep(CONSUM_SPEED);
}
 
int sub_from_lib()                            //从仓库中取出产品
{
    num--; //仓库中的产品数量减一
    msleep(500);
    return num;
}
 
void *productor(void *arg)            //生产者线程
{
    while(1)
    {
        sem_wait(&p_sem);//生产信号量减一
        product();// 生产延时        
        sem_wait(&sh_sem);//这个信号量是用来互斥的
        printf("push into! tatol_num=%d\n",add_to_lib());
        sem_post(&sh_sem);    
        sem_post(&c_sem);  //消费信号量加一
    }
}
 
void *consumer(void *arg)                //消费者线程
{
    while(1)
    {
        
        sem_wait(&c_sem); //消费者信号量减一    
        sem_wait(&sh_sem);
        printf("pop out! tatol_num=%d\n",sub_from_lib());
        sem_post(&sh_sem);        
        sem_post(&p_sem);//生产者信号量加一    
        consum();//消费延时
        
        
        
    }
}
 
int main()
{
    pthread_t tid1,tid2;
    sem_init(&p_sem,0,TOTAL_NUM-INIT_NUM);
    
    sem_init(&c_sem,0,INIT_NUM);
    
    sem_init(&sh_sem,0,1);
    
    pthread_create(&tid1,NULL,productor,NULL);
    pthread_create(&tid2,NULL,consumer,NULL);
    
    pthread_join(tid1,NULL);
    pthread_join(tid2,NULL);
    return 0;
}

posted on 2021-11-21 19:41 20191224 阅读(42) 评论(0) 收藏举报

刷新页面返回顶部

20191224

十一周学习笔记

块设备I/O和缓冲区管理

块设备I/O缓冲区

Unix I/O缓冲区管理算法

导航

公告