第十二章：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：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入磁盘。

Unix I/O缓冲区管理算法

• 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

• 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 // device buffer list BUFFER *dev_list;BUFFER*io_queue
// device I/0 queue ) devtab[NDEV];

• 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
• 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。由于一个缓冲区不能同时处于空闲状态和繁忙状态，所以可通过使用相同的next_free指针来维护设备I/O队列。当缓冲区不再繁忙时，它会被释放回空闲列表，但仍保留在dev_list中，以便可能重用。只有在重新分配时，缓冲区才可能从一个dev_list更改到另一个dev_list中
• Unix getblk/brelse算法

  BUFFER *getblk(dev,blk){
      while(1){
       search dev_list for a bp=(dev,blk);
       if (bp in dev_lst)
         if(bp BUSY)
            set bp WANTED flag;
            sleep(bp);
            continue;
             }
        take bp put of freelist;
        mark bp BUSY;
        return bp;
  }

• Unix算法的具体说明：
  • 数据的一致性
  • 缓存效果
  • 临界区
• Unix算法的缺点：
  • 效率低下
  • 缓存效果不可预知
  • 可能会出现饥饿
  • 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

• 信号量的主要优点
  • 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
  • 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

• 保证数据一致性
• 良好的缓存效果
• 高效率：没有重试循环，没有不必要的进程“唤醒”
• 无死锁和饥饿

PV算法

BUFFER *getblk(dev,blk)
{
    while(1){
  (1).      p(free);                              //首先获取一个空闲缓冲区
  (2).      if (bp in dev_list){                  //若该缓冲区在设备表的dev_list中
  (3).          if (bp not BUSY){                 //且处于空闲状态
                    remove from freelist;         //将其从空闲列表中删除
                    P(bp);                        //lock bp not wait
                    return bp;
                 }
            //若缓冲区存在缓存内且繁忙
                V(free);                          //放弃空闲缓冲区
  (4).          P(bp);                            //在缓冲队列中等待
                return bp;
           }
            //缓冲区不在缓存中，为磁盘创建一个缓冲区
  (5).     bp = first buffer taken out of freelist;
           P(bp);                             //lock bp no wait
  (6).     if (bp dirty){                     //若为脏缓冲区
              awrite(bp);                     //缓冲区写入磁盘
              continue;
           }
  (7).     reassign bp to (dev,blk);          //重新分配
           return bp;
      }
}
brelse (BUFFER *bp)
{
    (8).if (bp queue has waiter) {V(bp); return; }
    (9).if (bp dirty && freee queue has waiter){ awrite(bp); return;}
    (10).enter bp into (tail of) freelist; V(bp); V(free);
}

实践

perror


setvbuf

苏格拉底提问

遇到的问题

Unix I/O缓冲区管理算法可能会出现饥饿是什么意思？

在Unix系统中，I/O缓冲区管理算法可能会出现饥饿（starvation）指的是某些I/O操作长时间无法得到处理或被延迟的情况。这通常是由于操作系统的调度算法或者缓冲区管理策略导致的。具体来说，如果某些I/O操作被频繁地排在队列的末尾，而其他I/O操作不断插入队列并得到优先处理，那么那些一直处于队列末尾的I/O操作就可能会陷入饥饿状态。这会导致它们长时间无法得到处理，造成性能下降甚至系统不可用的情况。为了避免I/O缓冲区管理算法导致的饥饿问题，需要设计合理的调度算法和缓冲区管理策略，确保所有的I/O操作都能够得到适时的处理，而不会因为长时间等待而陷入饥饿状态。