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。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，它将数据写人缓冲区，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1O。脏缓冲区只有在被重新分配到不同的块时才会写人磁盘。
Unix I/O缓冲区管理算法
Unix缓冲区管理子系统由以下几部分组成:
- 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。为了保护内核内存，状态字段可以定义为一个位向量，其中每个位表示一个唯一的状态条件。 - 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_Iist，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。例如，它可以实现各种磁盘调度算法，如电梯算法或线性扫描算法等。为了简单起见，Unix使用FIFO I/O队列。 - 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T/O队列均为空。
- 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。
新的I/O缓冲区管理算法——PV算法
- 在信号量上使用P/V来实现进程同步，信号量的主要优点是：
（1）计数信号量可用来表示可用资源的数量
（2）当多个进程等待一个资源时，信号量的V操作只会释放一个等待进程，该进程不必重试。 - PV算法满足：
- 缓冲区唯一性
- 无重试循环
- 无不必唤醒
- 良好的缓存效果
- 无死锁和饥饿
苏格拉底挑战
针对块设备I/O缓冲区的苏格拉底挑战
针对Unix I/O缓冲区管理算法的苏格拉底挑战
