《Unix/Linux系统编程》第十二章学习笔记
第12章 块设备I/O和缓冲区管理
1.块设备缓冲区
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入磁盘。
2.Unix I/O缓冲区管理算法
Unix缓冲区管理子系统由以下几部分组成：
(1)I/O缓存区
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。
(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BUSY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)该算法使用只适用于单处理器系统的休眠/唤醒操作。
3.新的I/O缓冲区管理算法（使用信号量的缓冲区管理算法）
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。
4.PV算法
BUFFER *getb1k(dev,blk)
{
while(1){
(1). P(free); //get a free buffer first
(2). if (bp in dev_1ist){
(3). if (bp not BUSY){
remove bp from freelist;
P(bp); // lock bp but does not wait
return bp;
}
// bp in cache but BUSY
V(free); // give up the free buffer
(4). P(bp); // wait in bp queue
return bp;
}
// 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);// mark bp data invalid,not dirty
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);return;}
(10).enter bp into(tail of) freelist;V(bp);V(free);
