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人磁盘。
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。

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，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（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。
• 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。
  3、新的I/O缓冲区管理算法
  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，例如：空闲缓冲区的数量。
(2)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。

4、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，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，并将它们输人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。
5、PV算法

BUFFER *getb1k(dev,blk)：
while(1){
(1). P(free);
//get a free buffer first 
if (bp in dev_1ist){
(2). if (bp not BUSY){
remove bp from freelist;P(bp);
// lock bp but does not wait
(3).return bp;
// bp in cache but BUSY V(free);
// give up the free buffer
(4).P(bp);
// wait in bp queue
return bp;v
// bp not in cache,try to create a bp=(dev,blk)
(5).bp = frist buffer taken out of freelist;P(bp);
// lock bp,no wait
(6).if(bp dirty){
awzite(bp);
// write bp out ASYNC,no wait
continue;
// continue from (1)
(7).reassign bp to(dev,blk);1/ mark bp data invalid,not dir return bp;-
// end of while(1)；
brelse(BUFFER *bp)，
{
(8).iF (bp queue has waiter)( V(bp); return; ]
(9).if(bp dirty && free queue has waiter){ awrite(bp);zeturn;}(10).enter bp into(tail of) freelist;V(bp);V(free);
}

• 缓冲区唯一性
• 无重试循环
• 无不必要唤醒
• 缓存效果

二、实践内容与截图

实践1：运行以下代码
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;
}

运行结果：