学习笔记10

第12章 块设备I/O和缓冲区管理

块设备和I/O缓冲区

由于磁盘I/O速度相对较慢，文件系统通常使用I/O缓冲来减少存储设备的物理I/O数量，提高文件I/O效率，增加系统吞吐量。基本原理是使用一系列I/O缓冲区作为块设备的缓存内存，以避免每次执行读写文件操作时都进行磁盘I/O。

I/O缓冲区的基本原理

• 读取操作： 当进程尝试读取磁盘块（dev，blk）时，系统首先搜索缓冲区缓存中是否已分配给该磁盘块的缓冲区。如果存在且包含有效数据，则直接从缓冲区中读取，而无需再次从磁盘读取。
• 缓冲区分配： 如果缓冲区不存在，系统为磁盘块分配一个缓冲区，将数据从磁盘读入缓冲区，并将其保存在缓冲区缓存中。这样，下次任何进程对相同块的读/写请求都可以使用缓冲区中的数据，而无需进行实际磁盘I/O。
• 写入操作： 当进程写入磁盘块时，系统首先获取一个分配给该块的缓冲区，将数据写入缓冲区，将缓冲区标记为脏（表示数据已被修改），然后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缓冲区管理子系统

• 设备表：用于存储设备的缓冲区列表和I/O队列。
• Unix getblk/brelse算法：用于分配和释放缓冲区。
  • getblk(dev, blk)函数用于获取一个缓冲区：
    • 首先搜索设备的缓冲区列表，找到匹配的缓冲区。
    • 如果缓冲区已分配且正在使用，则设置等待标志，并让进程睡眠，直到有空闲缓冲区。
    • 如果缓冲区未分配，则从空闲缓冲区列表中取出，标记为正在使用，并返回该缓冲区。
  • brelse(bp)函数用于释放一个缓冲区：
    • 如果缓冲区已修改（脏缓冲区），则将数据写回磁盘。
    • 将缓冲区标记为未使用，并将其放回空闲缓冲区列表。
      
      
      
      

新的I/O缓冲区管理算法

新的算法使用信号量上的P/V操作来实现缓冲区的唯一性、缓存效果、临界区的安全操作等要求。

算法设计要求：

• 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

优点：

• 计数信号量提供了可表示资源数量的灵活性。
• 释放资源时，V操作只会释放一个等待进程，无需重试。
• 使用信号量上的P/V操作实现了对缓冲区的管理，更具可靠性。

缺点：

• 无法完全消除竞态条件，但通过合理设计可以最小化其影响。
• 这样的设计更适应多处理器系统，提高了可靠性和效率。

实践