一、任务详情
自学教材第12章，提交学习笔记（10分），评分标准如下
- 知识点归纳以及自己最有收获的内容，选择至少2个知识点利用chatgpt等工具进行苏格拉底挑战，并提交过程截图，提示过程参考下面内容 （4分）
- 问题与解决思路，遇到问题最先使用chatgpt等AI工具解决，并提供过程截图（3分）
- 实践过程截图，代码链接（2分）
- 其他（知识的结构化，知识的完整性等，提交markdown文档，使用openeuler系统等）（1分）
二、笔记内容
第十二章 块设备I/O和缓冲区管理
12.1 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。
12.2 Unix I/O缓冲区管理算法
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。
typdef struct buf[
struct buf*next__free; // freelist pointer
struct buf *next__dev; // dev_list pointer
int dev,blk; // assigmed disk block;
int opcode; // READ|wRITE
int dirty; // buffer data modified
int async; // ASYNC write flag
int valid; //buffer data valid
int buay; // buffer is in use
int wanted; // some process needs this buffer
struct semaphore lock=1; // buffer locking semaphore; value=1
struct semaphore iodone=0; // for process to wait for I/0 completion;// block data area
char buf[BLKSIZE];
} BUFFER;
BUFFER buf[NBUF],*freelist; // NBUF buffers and free buffer list
2. 设备表
每个块设备用一个设备表结构表示。
struct devtab{
u16 dev; // major device number
BUFFER *dev_list; // device buffer list
BUFFER *io_queue; // device I/0 queue
}devtab[NDEV];
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。如果缓冲区当前正在使用，则会将其标记为 BUSY（繁忙）并从空闲列表中删除。繁忙缓冲区也可能会在设备表的I/O队列中。
5. Unix getblk/brelse算法
- 数据一致性
- 缓存效果
- 临界区
12.3 新的I/O缓冲区管理算法
-
信号量的主要优点：
1.计数信号量可用来表示可用资源的数量，例如∶空闲缓冲区的数量。
2.当多个进程等待一个资源时，信号量上的V操作只会释放一个等待进程，该进程不必重试，因为它保证拥有资源。 -
使用信号量的缓冲区管理算法：
假设有一个单处理器内核（一次运行一个进程）。使用计数信号量上的P/V来设计满足以下要求的新的缓冲区管理算法∶
1.保证数据一致性。
2.良好的缓存效果。
3.高效率∶没有重试循环，没有不必要的进程"唤醒"。
4.无死锁和饥饿。
5.PV算法 -
PV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);
}
12.4 I/O缓冲区管理算法比较
项目分为以下几个结构：
-
Box#1:用户界面﹐这是模拟系统的用户界面部分，提示输人命令、显示命令执行、显示系统状态和执行结果等。在开发过程中，可以手动输入命令来执行任务。在最后测试过程中，任务应该有自己的输入命令序列
-
Box#2：多任务处理系统的CPU端，模拟单处理器（单CPU)文件系统的内核模式。当系统启动时，它会创建并运行一个优先级最低的主任务，但它会创建ntask工作任务，所有任务的优先级都是1，并将它们输人readyQueue。然后，主任务执行以下代码，该代码将任务切换为从readyQueue运行工作任务。
-
磁盘驱动程序：start_io():维护设备IO队列,并对IO队列中的缓冲区执行I/O操作；中断处理程序:在每次I/O操作结束时，磁盘控制器会中断 CPU。
-
磁盘控制器：Box#3:磁盘控制器，它是主进程的一个子进程。因此，它与CPU端独立运行，除了它们之间的通信通道，通信通道是CPU和磁盘控制器之间的接口。通信通道由主进程和子进程之间的管道实现。
-
命令:从CPU到磁盘控制器的1/O命令。
DataOut:在写操作中从CPU到磁盘控制器的数据输出。
DataIn:在读操作中从磁盘控制器到CPU的数据。
IntStatus:从磁盘控制器到CPU的中断状态。
IntAck:从 CPU到磁盘控制器的中断确认。 -
磁盘中断：从磁盘控制器到CPU的中断由SIGUSR1(#10）信号实现。在每次IO操作结束时,磁盘控制器会发出 kill(ppid, SIGUSR1)系统调用，向父进程发送SIGUSR1信号，充当虚拟CPU中断。通常，虚拟CPU会在临界区屏蔽出/人磁盘中断（信号)。为防止竞态条件，磁盘控制器必须要从CPU接收一个中断确认，才能再次中断。
-
虚拟磁盘：Box#4：Linux文件模拟的虚拟磁盘。使用Linux系统调用lseek()、read(和write()，支持虚拟磁盘上的任何块I/O操作。为了简单起见，将磁盘块大小设置为16字节。由于数据内容无关紧要，所以可以将它们设置为16个字符的固定序列。
-
磁盘控制器：是主进程的一个子进程。因此，它与CPU 端独立运行，除了它们之间的通信通道，通信通道是 CPU和磁盘控制器之间的接口。通信通道由主进程和子进程之间的管道实现。
2.苏格拉底挑战
三、问题与解决思路
问题
（1）在Unix系统中，I/O缓冲区管理器如何处理多个进程同时尝试读写同一个文件的情况？
解决思路
(1)询问GPT总结如下：
四、实践过程截图
- 首先实践了课上内容
