Linux第十二章——块设备I/O和缓冲区管理
块设备I/O缓冲区
- 读写普通文件的算法依赖于两个关键操作，即：get_block和put_block，这两个操作将磁盘块读写到内存缓冲区中。
- 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。
- 在讨论缓冲区管理算法之前，我们先来介绍以下术语：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）
从磁盘块中读取
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BUFFER *BREAD(dev，blk)
{
BUFFER *bp = gerblk(dev,blk);
if (bp data valid)
return bp;
bp -> opcode = READ;
start_io(bp);
wait for I/O completion;
return bp;
}
写入磁盘块
1、同步写入——同步写入等待写操作完成，用于顺序块或可移动设备
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bwrite (BUFFER *bp){
bp->opcode = WRITE;
start_io(bp);
wait for I/O completion;
brelse(bp);
}
2、延迟写入——延迟写入无写操作，用于随机访问设备
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dwrite(BUFFER *bp){
mark bp dirty for delay_write;
brelse(bp);
}
3、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，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(dp)将缓冲区标记为脏，并将其释放到缓冲区缓存中。
脏缓冲区只有在被重新分配到不同的磁盘块时才会被写入磁盘，此时缓冲区将被以下代码写入：
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awrite(BUFFER *bp){
bp -> opcode = ASYNC;
start_io(bp);
}
- 脏缓冲区只用在重新分配到不同的磁盘块时才会被写入磁盘
- awrite()会调用start_io()在缓冲区开始I/O操作，但不会等待操作完成
- 当异步ASYNC完成后，磁盘中断处理程序将释放缓冲区
Unix I/O缓冲区管理算法
缓冲区组成
- 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。
- 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_lise，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。
- 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。
- Unix getblk/brelse算法
关于Unix算法
- Unix算法具有数据一致性：为了确保数据一致性，getblk一定不能给同一个（dev,blk）分配多个缓冲区。
- Unix算法的缓存效果可通过以下方法实现。释放的缓冲区保留在设备列表中，以便可能重用。标记为延迟写入的缓冲区不会立即产生I/O，并且可以重用。缓冲区会被释放到空闲列表的末尾，但分配是从空闲列表的前面开始的。
- 设备中断处理程序可操作缓冲区列表，例如从设备表的I/O队列中删除bp，更改其状态并调用brelse(bp)。
- Unix算法有以下缺点：
- 效率低下：该算法依赖于重试循环。
- 缓存效果不可预知：在Unix算法中，每个释放的缓冲区都可被获取。
- 可能会出现饥饿：Unix算法基于“自由经济”原则，即每个进程都有尝试的机会，但不能保证成功。
- 该算法使用只适用于单处理器系统的休眠/唤醒操作。
缓冲区结构体
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typdef struct buf{
struct buf *next_free;
struct buf *next_dev;
int dev,blk;
int opcode;
int dirty;
int async;
int valid;
int busy;
int wanted;
struct semaphore lock = 1;
struct semaphore iodone = 0;
char buf[BLKSIZE];
}BUFFER;
BUFFER buf[NBUF], *freelist;
设备表
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struct devtab{
u16 dev;
BUFFER *dev_list;
BUFFER *io_queue;
}devtab[NDEV];
优化缓冲区管理算法
新的I/O缓冲区管理算法
在信号量上使用P/V来实现进程同步，而不是使用休眠/唤醒。
- 信号量有以下优点：计数信号量可用来表示可用资源的数量；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
信号量定义
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BUFFER buf[NBUF];
SEMAPHORE free = NBUF;
SEMAPHORE buf[i].sem = 1;
PV算法
使用计数信号量上的P/V来设计满足以下要求的新的缓冲区管理算法：
- 保证数据一致性
- 良好的缓存效果
- 高效率：没有重试循环，没有不必要的进程“唤醒”
- 无死锁和饥饿
PV算法伪代码
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BUFFER *getblk(dev,blk)
{
while(1){
p(free);
if (bp in dev_list){
if (bp not BUSY){
remove from freelist;
P(bp);
return bp;
}
//bp in cache but BUSY
V(free);
P(bp);
return bp;
}
//bp not in cache, try to create a bp=(dev.blk)
bp = first buffer taken out of freelist;
P(bp);
if (bp dirty){
awrite(bp);
continue;
}
reassign bp to (dev,blk);
return bp;
}
}
brelse (BUFFER *bp)
{
if (bp queue has waiter) {
V(bp);
return;
}
if (bp dirty && freee queue has waiter){
awrite(bp);
return;
}
enter bp into (tail of) freelist;
V(bp);
V(free);
}
实践
PV信号量缓冲区算法
