《Unix/Linux系统编程》第12章学习笔记 20191329马静怡

第12章 块设备I/O和缓冲区管理

1.块设备I/O缓冲区

与内存访问相比，磁盘I/O速度较慢。所以文件系统使用一系列I/O缓冲区作为块设备的缓存内存，来减少进出存储设备的物理I/O数量，合理的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。
当进程试图读取标识的磁盘块时，首先在缓冲区缓存中搜索分配给磁盘块的缓冲区。如果存在并包含有效数据就直接读取数据，如果不存在，则为磁盘块分配一个缓冲区，将数据从磁盘读入缓冲区再读取。
当进程写入磁盘时，首先获取一缓冲区，然后将数据写入缓冲区，将缓冲区记为脏，以延迟写入，并释放到缓冲区缓存中。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部分组成：

• 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。
  缓冲区结构图由用于缓冲区管理的缓冲头部分和用于数据块的数据部分组成。
• 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_list，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队列应确保最佳I/O操作，Unix使用FIFO I/O队列。
• 缓冲区初始化：系统启动时，所有I/O缓冲区都在空闲列表中，设备列表和I/O队列均为空。
• 缓冲区列表：缓冲区分配后，会被插入设备表的dev_list中。若缓冲区正在使用，则会标记为BUSY并从空闲列表中删除。
• Unix getblk/brelse算法
  读/写磁盘块可以表示为bread、bwrite和dwrite，它们都依赖于getblk和brelse。
  当缓冲区的数量很大时，散列可以减少搜索时间；当缓冲区的数量很少时，由于额外系统开销，散列实际上可能会增加执行时间。

Unix算法的缺点

• 效率低下：该算法依赖于重试循环。
• 缓存效果不可预知：每个释放的缓冲区都可被获取。
• 可能会出现饥饿：每个进程都有尝试的机会，但不能保证成功。
• 该算法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

在信号量上使用P/V来实现进程同步，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
（2）当多个进程等待一个资源时，信号量的V操作只会释放一个等待进程，该进程不必重试。
PV算法满足：

• 缓冲区唯一性
• 无重试循环
• 无不必唤醒
• 良好的缓存效果
• 无死锁和饥饿

4.编程项目

哲学家进餐问题——信号量PV方法

由Dijkstra提出并解决的哲学家进餐问题(The Dinning Philosophers Problem)是典型的同步问题。该问题是描述有五个哲学家共用一张圆桌，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和五只筷子，他们的生活方式是交替地进行思考和进餐。平时，一个哲学家进行思考，饥饿时便试图取用其左右最靠近他的筷子，只有在他拿到两只筷子时才能进餐。进餐完毕，放下筷子继续思考。
假设哲学家的编号是A、B、C、D、E，筷子编号是1、2、3、4、5，

点击查看代码

#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
//筷子作为mutex  
pthread_mutex_t chopstick[6] ;  
void *eat_think(void *arg)  
{  
    char phi = *(char *)arg;  
    int left,right; //左右筷子的编号  
    switch (phi){  
        case 'A':  
            left = 5;  
            right = 1;  
            break;  
        case 'B':  
            left = 1;  
            right = 2;  
            break;  
        case 'C':  
            left = 2;  
            right = 3;  
            break;  
        case 'D':  
            left = 3;  
            right = 4;  
            break;  
        case 'E':  
            left = 4;  
            right = 5;  
            break;  
    }  
int i;  
for(;;){  
    usleep(3); //思考  
    pthread_mutex_lock(&chopstick[left]); //拿起左手的筷子  
    printf("Philosopher %c fetches chopstick %d\n", phi, left);  
    if (pthread_mutex_trylock(&chopstick[right]) == EBUSY){ //拿起右手的筷子     
        pthread_mutex_unlock(&chopstick[left]); //如果右边筷子被拿走放下左手的筷子  
        continue;  
    }  
      
//  pthread_mutex_lock(&chopstick[right]); //拿起右手的筷子，如果想观察死锁，把上一句if注释掉，再把这一句的注释去掉  
    printf("Philosopher %c fetches chopstick %d\n", phi, right);  
    printf("Philosopher %c is eating.\n",phi);  
    usleep(3); //吃饭  
    pthread_mutex_unlock(&chopstick[left]); //放下左手的筷子  
    printf("Philosopher %c release chopstick %d\n", phi, left);  
    pthread_mutex_unlock(&chopstick[right]); //放下左手的筷子  
    printf("Philosopher %c release chopstick %d\n", phi, right);  

}  

}

int main(){

pthread_t A,B,C,D,E; //5个哲学家
int i;  
for (i = 0; i < 5; i++)  
    pthread_mutex_init(&chopstick[i],NULL);  
pthread_create(&A,NULL, eat_think, "A");  
pthread_create(&B,NULL, eat_think, "B");  
pthread_create(&C,NULL, eat_think, "C");  
pthread_create(&D,NULL, eat_think, "D");  
pthread_create(&E,NULL, eat_think, "E");  

pthread_join(A,NULL);  
pthread_join(B,NULL);  
pthread_join(C,NULL);  
pthread_join(D,NULL);  
pthread_join(E,NULL);  
return 0;  

}

• 运行截图：