《信息安全与设计》第十二章学习笔记

第十二章 块设备I/O和缓冲区管理

知识点归纳
一、块设备I/O缓冲区
（一）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。
（二）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。
（三）脏缓冲区只有在被重新分配到不同的块时才会写人磁盘。

二、Unix I/O缓冲区管理算法
（一）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

（二）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];
}

1.Unix算法的优点：1.数据的一致性；2.缓存效果；3.临界区；
2.Unix算法的缺点：1.效率低下；2.缓存效果不可预知；3.可能会出现饥饿；4.该算法使用只适用于单处理系统的休眠/唤醒操作。

（三）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);
}

三、新的I/O缓冲区管理算法
（一）信号量的主要优点
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。
（二）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
（三）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。
（四）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。
（五）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。
（六）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。

实践
1. setbuf（）函数
函数setbuf()用于将指定缓冲区与特定的文件流相关联，实现操作缓冲区时直接操作文件流的功能。
函数原型为
void setbuf(FILE * stream, char * buf);
参数stream为文件流指针，buf为缓冲区的起始地址。
如果参数buf 为NULL 指针，则为无缓冲，setbuf()相当于调用
setvbuf(stream, buf, buf ? _IOFBF : _IONBF, BUFSIZE)。
在打开文件流后，读取内容之前，可以调用setbuf()来设置文件流的缓冲区

#include <stdio.h> 
char outbuf; 
int main(void) 
{ 
 	setbuf(stdout, outbuf); // 把缓冲区与流相连
  	puts("This is a test of buffered output.\n");
  	puts(outbuf);
  	fflush(stdout); // 刷新
  	puts(outbuf); // 输出
  	

return 0;
}

2.setvbuf()函数
setvbuf()函数设置文件流的缓冲区
函数原型为int setvbuf(FILE * stream, char * buf, int type, unsigned size);
参数stream为文件流指针，buf为缓冲区首地址，type为缓冲区类型，size为缓冲区内字节的数量。

#include <stdio.h> 
int main(void) 
{
	FILE *input, *output; 
	char bufr512; 
	input = fopen("file.in", "w+");   /*打开文件*/
	output = fopen("file.out", "w");
	if (setvbuf(input, bufr512, _IOFBF, 512) != 0) /*失败*/
		printf("failed to set up buffer for input file\n");
	else
		printf("buffer set up for input file\n");
	if (setvbuf(output, NULL, _IOLBF, 132) != 0) /为流指定特殊的缓冲区/
		printf("failed to set up buffer for output file\n");
	else
		printf("buffer set up for output file\n");
	fclose(input);
	fclose(output);
	return 0;
}

setbuf()和setvbuf()函数的实际意义在于：用户打开一个文件后，可以建立自己的文件缓冲区，而不必使用fopen()函数打开文件时设定的默认缓冲区。这样就可以让用户自己来控制缓冲区，包括改变缓冲区大小、定时刷新缓冲区、改变缓冲区类型、删除流中默认的缓冲区、为不带缓冲区的流开辟缓冲区等。