Unix/Linux系统编程（块设备I/O和缓冲区管理）

• 块设备I/O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，将数据从磁盘读人缓冲区，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人磁盘。

  • 相关函数定义

bread（dev，blk）函数：返回一个包含有效数据的缓冲区指针

BUFFER *bread(dev,blk)
{
	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);
	wait for I/O complete;
	return bp;
}

write_block(dev , blk , data)函数：释放缓冲区

write_block(dev , blk , data)
{
	BUFFER *bp = bread(dev , data) //write data for U space
	write data to bp;
	(synchronous write)? bwrite(bp) : dwrite(bp);
}

物理块设备I/O:每个设备都有一个I/O队列，其中包含等待I/O操作的缓冲区

缓冲区上的start_io()操作如下：

start_io(BUFFER *bp)
{
	enter bp into device I/O queue;
	if (bp is first buffer in I/O queue)
		issue I/O command for bp to device;
}

当I/O操作完成后,设备中断处理程序会完成当前缓冲区上的I/O操作,并启动I/O队列中的下一个缓冲区的I/O。设备中断处理程序的算法如下：

InterruptHandler()
{
	bp = dequeue(device I/O queue); //bp = remove head of I/O queue
	(bp -> opcode == ASYNC)? brelse(bp) : unblock process on bp;
	if (!empty(device I/O queue))
		issue I/O command for first bp in I/O queue;
}

• UnixI/O缓冲区管理算法

  • Unix系统的I/O缓冲区管理子系统一般有以下个5部分:

    1.I/O缓冲区:内核中的一系列NBUF缓冲区

    2.设备表:每个块设备用一个设备表结构表示

    3.缓存区初始化:系统启动时的I/O缓冲区都处在空闲列表,所有设备列表和I/O队列皆为空

    4.缓冲区列表:当缓冲区被分配给(dev , blk)时,插入设备列表的dev_list中

    5.Unix get/brelse算法:用于重新分配缓冲区

  • 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

• 新的I/O缓冲区管理算法
  • Unix算法虽然简单，但也有许多缺点，所以需要一个更可靠的I/O缓冲区管理算法。这个新的算法即使用信号量的缓冲区管理算法。
  • 使用信号量的缓冲区管理算法
    使用P/V信号量实现进程同步的算法：

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);
}

• P/V算法的正确性验证

1.缓冲区唯一
2.无重试循环
3.无不必要唤醒
4.缓存效果
5.无死锁或饥饿