Unix/Linux系统编程学习笔记-10

笔记

块设备I/O和缓冲区管理

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，而无需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，将数据从磁盘中读入缓冲区，然后从缓冲区读取数据。
• 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。

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：

I/O缓冲区：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。

• 缓冲区结构体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：

• 当系统启动时，所以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。

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：

• 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。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。

新的I/O缓冲区管理算法

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
• 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。

使用信号量的缓冲区管理算法

新的缓冲区管理算法的要求：

• 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”
• 无死锁和饥饿

PV算法

满足要求：

• 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

问题与解决思路

运行结果截图