知识点归纳
1.块设备I/O缓冲区
什么是块设备：块设备是i/o设备中的一类，是将信息存储在固定大小的块中，每个块都有自己的地址，还可以在设备的任意位置读取一定长度的数据，例如硬盘,U盘，SD卡等。
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。
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。
定义一个bread（dev, blk）函数，它会返回一个包含有效数据的缓冲区(指针)。
从缓冲区读取数据后，进程通过brelse(hp)格缓冲区释放回缓冲区缓存。 write_block(dev, blk, data)函数
2.Unix I/O缓冲区管理算法
使用 硬件作为缓冲区 的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如存储器管理中用的联想寄存器，即 快表，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的联想寄存器来存放页表项的副本）
一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，“设备独立性软件”的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区
单缓冲策略
当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。
双缓冲策略
假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）
结论：采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为Max (T, C+M)
两台机器之间通信时，可以配置缓冲区用于数据的发送和接受。
注：管道通信中的“管道”其实就是缓冲区。要实现数据的双向传输，必须设置两个管道
循环缓冲区
将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。
注：以下图示中，橙色表示已充满数据的缓冲区，绿色表示空缓冲区。
I/O缓冲区管理算法比较
1.系统组织
用户界面：这是模拟系统的用户界面部分。它会提示输人命令、显示命令执行、显示系统状态和执行结果等。在开发过程中，读者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。例如，各任务可以读取包含命令的输入文件。
2.多任务处理系统
3.磁盘驱动程序
start io（）：维护设备I/O队列，并对I/O 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。当接收到中断后，中断处理程序首先从 IntStatus中读取中断状态。
4.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I/O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。
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。
5.虚拟磁盘
使用Linux系统调用lseek（）、read（）和 write（），我们可以支持虚拟磁盘上的任何块I/O操作。
6.磁盘控制器
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。
命令：从 CPU到磁盘控制器的I/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。
实践内容与截图，代码
通过对信号量PV操作，消除父子进程间的竞争条件，使得其调用顺序可控。
pv.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include "sem_com.c"
#define DELAY_TIME 3
int main() {
pid_t pid;
int sem_id;
key_t sem_key;
sem_key=ftok(".",'a');
sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
init_sem(sem_id,1);
if ((pid=fork())<0) {
perror("Fork error!\n");
exit(1);
} else if (pid==0) {
sem_p(sem_id);
printf("Child running...\n");
sleep(DELAY_TIME);
printf("Child %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
sem_v(sem_id);
exit(0);
} else {
sem_p(sem_id);
printf("Parent running!\n");
sleep(DELAY_TIME);
printf("Parent %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
sem_v(sem_id);
waitpid(pid,0,0);
del_sem(sem_id);
exit(0);
}
}
sem_com.c
union semun {
int val;
struct semid_ds *buf;
unsigned short *array;
};
int init_sem(int sem_id,int init_value) {
union semun sem_union;
sem_union.val=init_value;
if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1) {
perror("Sem init");
exit(1);
}
return 0;
}
int del_sem(int sem_id) {
union semun sem_union;
if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1) {
perror("Sem delete");
exit(1);
}
return 0;
}
int sem_p(int sem_id) {
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num=0;
sem_buf.sem_op=-1;
sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
perror("Sem P operation");
exit(1);
}
return 0;
}
int sem_v(int sem_id) {
struct sembuf sem_buf;
sem_buf.sem_num=0;
sem_buf.sem_op=1;
sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
perror("Sem V operation");
exit(1);
}
return 0;
}
运行截图
