第十二章 块设备I/O和缓冲区管理

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。
信号的来源
来自硬件中断的信号：在进程执行过程中，一些硬件中断被转换为信号发送给进程。
硬件信号示例：
中断键（Ctrl+C），它产生一个SIGINT(2)信号。
间隔定时器，当他的时间到期时，会生成一个SIGALRM(14)、SIGTALRM(26)或SIGPROF(27)信号。
其他硬件错误，如总线错误、IO陷进。
来自异常的信号：当用户模式下的进程遇到异常时，会陷入内核模式，生成一个信号，并发给自己。常见的陷阱信号有SIGFPE(8)，表示浮点异常（除以0），最常见也是最可怕的时SIGSEGV（11），表示段错误，等等。
来自其他进程的信号：进程可以使用kill（pid，sig）系统调用向pid标识的目标进程发送信号。
进程PROC结构体中的信号
每个进程PROC都有一个32位向量，用来记录发送给进程的信号。在位向量中，每一位（0位除外）代表一个信号编号。此外，它还有一个信号MASK位向量，用来屏蔽相应的信号。可使用一系列系统调用清除和检查MASK位向量。待处理信号只有在未被屏蔽的情况下才有效。因此这样可以让进程延迟处理被屏蔽的信号，类似于CPU屏蔽某些中断。
信号处理函数
每个进程PROC 都有一个信号处理数组 int sig[32]。sig[32]数组的每个条目都指定了如何处理相应的信号，其中0表示 DEFault（默认），1表示 IGNore（忽略）.其他非零值表示用户模式下预先安装的信号捕捉（处理）函数。
如果信号位向量中的位为1，则会生成一个信号1或将其发送给进程。如果屏蔽位向量的位I为1，则信号会被阻塞或屏蔽。否则，信号未被阻塞。只有当信号存在并且未被阻塞时，信号才会生效或传递给进程。
安装信号捕捉函数
进程可使用系统调用int r = signal(int signal_number, void *handler);来修改选定信号编号的处理函数
已安装的信号处理函数（若不是0或1）一定是以下形式用户空间中信号捕捉函数入口:void catcher(int signal_number){···}
sigaction()的使用示例
信号处理步骤
（1）当某进程处于内核模式时，会检查信号并处理未完成的信号
（2）重置用户安装的信号捕捉函数
（3）信号和唤醒
信号作用IPC
在许多操作系统的书籍中，信号被归类为进程间的通信机制。基本原理是一个进程可以向另一个进程发送信号，使它执行预先安装的信号处理函数。由于以下原因，这种分类即使不算不恰当也颇具争议。

该机制并不可靠，因为可能会丢失信号。每个信号由位向量中的一个位表示，只能记录一个信号的一次出现。如果某个进程向另一个进程发送两个或多个相同的信号，它们可能只在接收PROC中出现一次。实时信号被放入队列，并保证按接收顺序发送，但操作系统内核可能不支持实时信号。
竞态条件：在处理信号之前，进程通常会将信号处理函数重置为DEFault。要想捕捉同一信号的再次出现，进程必须在该信号再次到来之前重新安装捕捉函数。否则，下一个信号可能会导致该进程终止。在执行信号捕捉函数时，虽然可以通过阻塞同一信号来防止竞态条件，但是无法防止丢失信号。
大多数信号都有预定义的含义。不加区别地任意使用信号不仅不能达到通信的目的，反而会造成混乱。例如，向循环进程发送SIGSEGV(1Ⅱ)段错误信号，就像对水里游泳的人大喊：“你的裤子着火了！”
因此，试图将信号用作进程间通信手段实际上是对信号预期用途的过度延伸，应避免出现这种情况。
代码：#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
//#include <siginfo.h>

void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
printf("handler: sig=%d from PID=%d UID=%d\n",sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
struct sigaction act;
memset(&act, 0, sizeof(act));
act.sa_sigaction = &handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigaction(SIGTERM, &act, NULL);
printf("proc PID=%d looping\n", getpid());
printf ("enter kill PID to send SIGTERM signal to it\n");
while(1)
{
sleep (10);
}
}
代码2：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <setjmp.h>
#include <string.h>

//#include <siginfo.h>

jmp_buf env;
int count = 0;

void handler(int sig, siginfo_t *siginfo, void *context)
{
printf ("handler sig=%d from PID=%d UID=%d count=%d\n", sig, siginfo->si_pid, siginfo->si_uid, ++count);
if (count >= 4) // let it occur up to 4 times
longjmp(env, 1234);
}

int BAD()
{
int *ip = 0;
printf("in BAD(): try to dereference NULL pointer\n");
*ip = 123; // dereference a NULL pointer
printf("should not see this line\n");
}

int main (int argc, char *argv[])
{
int r;
struct sigaction act;
memset (&act, 0, sizeof(act));
act.sa_sigaction = &handler;
act.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigaction(SIGSEGV, &act, NULL);
if ((r = setjmp(env)) == 0)
BAD();
else
printf("proc %d survived SEGMENTATION FAULT: r=%d\n",getpid(), r);

printf ("proc %d looping\n" ,getpid());
while(1);
}