信息安全系统设计与实现学习笔记 10

一、知识点归纳以及自己最有收获的内容

1. 知识点归纳

第12章 块设备I/O和缓冲区管理

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。同步写入操作等待写操作完成。它用于顺序块或可移动块设备，如USB驱动器。对于随机访问设备，例如硬盘，所有的写操作都是延迟写操作。在延迟写操作中，dwrite(bp)将缓冲区标记为脏，并将其释放到缓冲区缓存中。

2. 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。

   typedef struct buf {
       struct buf *next_free; // freelist pointer
       struct buf *next_dev; // dev_list pointer 
       int dev_blk; // assigned disk block
       int opcode; // READ | WRITE 
       int dirty; // buffer data modified
       int async; // ASYNC write flag 
       int valid; // buffer data valid 
       int busy; // 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/O completion 
       char buf[BLKSIZE]; // block data area 
   } 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
BUFFER *dev_list; // device buffer list
BUFFER *io_queue; // device I/O 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，所有设备列表和I/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。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

信号量的主要优点是：

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。
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，提示输入命令、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，并将它们输入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。
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。
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。

PV算法

BUFFER *getb1k(dev, blk) {
while(1) {
// Algorithm steps
}
}

void brelse(BUFFER *bp) {
// Algorithm steps
}