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
struct devtab {
u16 dev; // major device number
BUFFER *dev_list; // device buffer list
BUFFER *io_queue; // device I/O queue
} devtab[NDEV];
Unix getblk/brelse算法
BUFFER *getblk(dev, blk) {
while (1) {
search dev_list for a bp = (dev, blk);
if (bp in dev_list)
if (bp BUSY)
set bp WANTED flag;
sleep(bp);
continue;
}
take bp out of freelist;
mark bp BUSY;
return bp;
}
}
优点：
- 数据一致性：保证分配的每个缓冲区都是唯一的，避免了同一个(dev, blk)分配多个缓冲区。
- 缓存效果：通过将释放的缓冲区保留在设备列表中，延迟写入脏缓冲区，并通过LRU原则提高缓存效果。
- 临界区：设备中断处理程序可以安全地操作缓冲区列表，避免竞态条件。
缺点：
- 效率低下：依赖于重试循环，可能导致过多的进程切换。
- 缓存效果不可预知：每个释放的缓冲区都可被获取，可能重新分配缓冲区，导致缓存效果不确定。
- 可能会出现饥饿：基于"自由经济"原则，不能保证每个进程都成功获取缓冲区，可能导致进程饥饿。
- 仅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：
- 计数信号量可表示可用资源的数量，例如空闲缓冲区的数量。
- 多个进程等待同一资源时，信号量上的V操作只会释放一个等待进程，无需重试。
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
这样的设计通过使用信号量上的P/V操作来实现。 P操作用于获取资源，V操作用于释放资源，可满足上述要求。
具体说明：
-
数据一致性： 为确保数据一致性，保证getblk不会分配多个相同(dev, blk)的缓冲区。每个释放的脏缓冲区都会被写出来，确保数据一致性。
-
缓存效果： 通过释放的缓冲区保留在空闲列表中，标记为延迟写入的缓冲区可重用，实现缓存效果。
-
临界区： 设备中断处理程序可以操作缓冲区列表，如从设备表的I/O队列中删除bp，更改其状态，然后调用brelse(bp)。进一步避免了竞态条件。
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。
苏格拉底挑战
遇到的问题与解决方案：
-
缓冲区溢出：
- 问题：系统中的缓冲区数量有限，多个进程同时请求大量块设备I/O可能导致缓冲区溢出，造成数据丢失或性能下降。
- 解决方法：调整系统参数增加缓冲区数量，采用更高效的缓冲区替换算法。优化应用程序的I/O访问模式，减少对缓冲区的竞争。
-
脏缓冲区管理：
- 问题：脏缓冲区包含未写入磁盘的数据，系统崩溃或故障可能导致数据一致性问题。
- 解决方法：引入事务机制，确保写入脏缓冲区时同时记录事务信息。定期将脏缓冲区数据刷新到磁盘，降低数据丢失风险。
-
缓冲区的一致性：
- 问题：多个进程同时访问同一块可能导致数据不一致。
- 解决方法：引入锁机制或其他同步机制，确保一个缓冲区被修改时其他进程无法同时访问。使用读写锁、互斥锁等手段实现。
-
性能优化：
- 问题：缓冲区管理的性能影响整体系统性能，尤其在高负载情况下。
- 解决方法：优化缓冲区替换算法、合理设置缓冲区大小、使用高性能存储设备。定期监控系统I/O性能，进行性能调优。
-
数据一致性与性能平衡：
- 问题：频繁刷新脏缓冲区以确保数据一致性可能影响性能。
- 解决方法：权衡数据一致性和性能，采用延迟写入策略，将脏缓冲区刷新操作延迟到系统空闲时进行，降低性能影响。
-
文件系统碎片：
- 问题：频繁的块设备I/O可能导致文件系统碎片，影响磁盘空间的利用率。
- 解决方法：定期进行文件系统整理和优化，使用工具进行碎片整理，提高文件系统性能和空间利用率。
实践
