学习笔记十

学习笔记十

一、任务详情

自学教材第12章，提交学习笔记（10分），评分标准如下

  1. 知识点归纳以及自己最有收获的内容，选择至少2个知识点利用chatgpt等工具进行苏格拉底挑战，并提交过程截图，提示过程参考下面内容 （4分）

“我在学***X知识点，请你以苏格拉底的方式对我进行提问，一次一个问题”

核心是要求GPT：“请你以苏格拉底的方式对我进行提问”

然后GPT就会给你提问，如果不知道问题的答案，可以反问AI：“你的理解（回答）是什么？”

如果你觉得差不多了，可以先问问GPT：“针对我XXX知识点，我理解了吗？”

GPT会给出它的判断，如果你也觉得自己想清楚了，可以最后问GPT：“我的回答结束了，请对我的回答进行评价总结”，让它帮你总结一下。

  1. 问题与解决思路，遇到问题最先使用chatgpt等AI工具解决，并提供过程截图（3分）

  2. 实践过程截图，代码链接（2分）

  3. 其他（知识的结构化，知识的完整性等，提交markdown文档，使用openeuler系统等）（1分）

二、知识点总结

1. 块设备和I/O缓冲区

由于与内存访问相比，磁盘I/O速度较慢，所以不希望再每次执行读写文件操作时都执行磁盘I/O。因此，大多数文件系统使用I/O缓冲来减少存储设备的物理I/O数量。合理设计的I/O缓方案可显著提高文件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。

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，它将数据写人缓冲区，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人磁盘。

bread（dev, blk）函数：

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_io(bp);                      // start I/O on device
wait for I/O completion;
return bp;
}

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);
}

2. Unix I/O缓冲区管理算法

(1) Unix缓冲区管理子系统

①I/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扭， 其中每个位表示一个唯一的状态条件。

②设备表：

每个块设备用一个设备表结构表示。

每个设备表都有一个dev_Iist，包含当前分配给该设备的I/O缓冲区，还有一个io_queue，包含设备上等待I/O操作的缓冲区。I/O队列的组织方式应确保最佳I/O操作。Unix使用FIFO I/O队列。

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， 它会被插人设备表的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。繁忙缓冲区也可能会在设备表的 I/O 队列中。 由于一个缓冲区不能同时处于空闲状态和繁忙状态， 所以可通过使用相同的 next_free 指针来维护设备 I/O 队列。 当缓冲区不再繁忙时， 它会被释放回空闲列表， 但仍保留在 dev_list 中， 以便可能重用。 只有在重新分配时， 缓冲区才可能从一个 dev_list 更改到另一个 dev_list 中。 如前文所述， 读／写磁盘块可以表示为 bread 、 bwrite 和dwrite, 它们都要依赖于 getblk 和 brelse。

(2) Unix算法的一些具体说明:

  1. 数据一致性：为了确保数据－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。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。释放的缓冲区保留在设备列表中，以便可能重用。标记为延迟写入的缓冲区不会立即产生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getblk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。

(3) 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绥冲区的进程获取，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

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);
}

与休眠/唤醒相比，信号量的主要优点是：

(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。

使用信号量上的P/V来设计缓冲区管理算法要满足以下条件:

  • 缓冲区唯一性

  • 无重试循环

  • 无不必要唤醒

  • 缓存效果

  • 无死锁和饥饿

三、代码实现

1. 课上代码

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
#define NUM 5
void *print_msg(void *);
int main()
{
    pthread_t t1,t2;
    pthread_create(&t1,NULL,print_msg,(void *)"hello");
    pthread_create(&t2,NULL,print_msg,(void *)"world\n");
    pthread_join(t1,NULL);
    pthread_join(t2,NULL);
    printf("t1,t2 finished\n");
    return 0;
}
void *print_msg(void *m)
{
    char *cp = (char *)m;
    int i;
    for(i=0;i<NUM;i++)
    {
        printf("%s",m);
        fflush(stdout);
        sleep(1);
    }
    return NULL;
}

2. perror()

#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;
}

3. setvbuf（）

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h>
int main(int argc, char **args)
 {
   printf("hotice0");
   sleep(3);
   printf(" test\n");
   sleep(3);
   if (setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0) < 0)
 {
       perror("setvbuf");
       exit(EXIT_FAILURE); 
   } 
   printf("hotice0");
   sleep(3);
   printf("done\n");
   return EXIT_SUCCESS; 
}

四、利用chatgpt提问

 

 

posted @ 2023-11-18 10:30  20211307李文婧  阅读(61)  评论(0)    收藏  举报