信息安全系统设计与实现——学习笔记10

任务详情：自学教材第5章，提交学习笔记

Part1 知识点归纳&GPT提问

知识点归纳

1.块设备I/O缓冲区

与内存访问相比，磁盘I/O速度较慢，所以不希望在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缓冲来减少进出存储设备的物理I/O数量

I/O缓冲的基本原理：

• 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。
• 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/写清求，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入磁盘。
  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。

2.Unix I/O缓冲区

Unix缓冲区管理子系统由以下几部分组成
（1）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。

（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_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队列的组织方式应确保最佳I/O操作。

（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，它会被插入设备表的dev_list中.
（5）getblk/brelse 算法
getblk和brelse构成了Unix缓冲区管理方案的核心

3.Unix算法的优缺点

优点：简洁
缺点：

• 效率低下：该算法依赖于重试循环
• 缓存效果不可预知
• 可能会出现饥饿
• 该算法使用只适用丁单处理器系统的休眠/唤醒操作

4.使用信号量的缓冲区管理算法

PV算法：

GPT提问

块设备I/O缓冲区

Unix I/O缓冲区管理算法

Part2 问题与解决思路

问题

自学的时候不太了解PV算法，搞不懂是干嘛的

GPT解决

最终解决方案

PV两个字母是荷兰文 Passeren（通过），Vrijgeven（释放）的简称。PV操作与信号量的处理相关，P表示通过的意思，V表示释放的意思。所谓信号量，实际上就是用来控制进程状态的一个代表某一资源的存储单元。例如，P1和P2是分别将数据送入缓冲B和从缓冲B读出数据的两个进程，为了防止这两个进程并发时产生错误，狄克斯特拉设计了一种同步机制叫“PV操作”，P操作和V操作是执行时不被打断的两个操作系统原语。执行P操作P（S）时信号量S的值减1，若结果不为负则P（S）执行完毕，否则执行P操作的进程暂停以等待释放。执行V 操作V（S）时，S的值加1，若结果不大于0则释放一个因执行P（S）而等待的进程。对P1和P2可定义两个信号量S1和S2，初值分别为1和0。进程P1在向缓冲B送入数据前执行P操作P（S1），在送入数据后执行V操作V（S2）。进程P2在从缓冲B读取数据前先执行P操作P（S2），在读出数据后执行V操作V（S1）。当P1往缓冲B送入一数据后信号量S1之值变为0，在该数据读出后S1之值才又变为1，因此在前一数未读出前后一数不会送入，从而保证了P1和P2之间的同步。PV操作属于进程的低级通信。

P、V原语的具体操作如下：

P（S）将信号量S的值减1，即S=S-1；如果S≥0，则该进程继续执行；否则该进程置为等待状态，排入等待队列。

V（S）将信号量S的值加1，即S=S+1；如果S>0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。

还有一个比较易混淆的东西就是互斥和同步，那么他们两个又有什么区别？

互斥：（一般来说是两个进程间或进程内对同一资源（会访问临界资源），不能同时进行，就用互斥）
⑴每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。
⑵P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。
⑶互斥信号量的初值一般为1。

同步：（两个进程间，可以同时进行，但有共享资源，两者需要竞争（需要等待，必须有个执行先后顺序）就用同步，其实就是基本思想，所以说互斥就特殊的同步）
(1)、同步信号量一般不出现在同一进程中。
(2)、同步的P操作应出现在互斥的P操作前。

Part3 实践过程截图

实践1：运行以下代码
Pv.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include "sem_com.c"

#define DELAY_TIME 3
int main() {
pid_t pid;
int sem_id;
key_t sem_key;
sem_key=ftok(".",'a');
sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
init_sem(sem_id,1);

 if ((pid=fork())<0) {
    perror("Fork error!\n");
     exit(1);
 } else if (pid==0) {
    sem_p(sem_id); 
     printf("Child running...\n");
     sleep(DELAY_TIME);
     printf("Child %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
     sem_v(sem_id);
     exit(0);
 } else {
     sem_p(sem_id); 
    printf("Parent running!\n");
   sleep(DELAY_TIME);
    printf("Parent %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
   sem_v(sem_id); 
     waitpid(pid,0,0);
     del_sem(sem_id);
   exit(0);
}
}

sem_com.c

union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};

int init_sem(int sem_id,int init_value) {
union semun sem_union;
sem_union.val=init_value;
if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1) {
perror("Sem init");
exit(1);
}
return 0;
}
int del_sem(int sem_id) {
union semun sem_union;
if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1) {
perror("Sem delete");
exit(1);
}
return 0;
}
int sem_p(int sem_id) {
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num=0;
sem_buf.sem_op=-1;
sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
perror("Sem P operation");
exit(1);
}
return 0;
}

int sem_v(int sem_id) {
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num=0;
sem_buf.sem_op=1;
sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
perror("Sem V operation");
exit(1);
}
return 0;
}

运行结果：

Part4 其他

学习感想：自学完这一章最大的感悟是要学会进行联想，当遇到不懂的知识的时候，要学会把别的科目的知识拿出来辅助理解。再一个就是脑子要灵活，操作系统也学了很久了，以前一直没把这两门课联系在一起，现在想想Linux学起来不过也就是一个操作系统罢了，虽然和Windows不一样，但是抽象起来都是一个模式，以前学的进程和线程、同步等知识在操作系统课上都学过，只是一直没有意识把两门课放到一起学。在以后我还要多多培养这方面的能力，学一门课有不止一门课的收获，做到事半功倍。