块设备I/O和缓冲区管理

本章讨论了块设备I/O和缓冲区管理；解释了块设备I/O的原理和I/O缓冲的优点；论 述了 Unix的缓冲区管理算法，并指出了其不足之处；还利用信号量设计了新的缓冲区管理 算法，以提高I/O缓冲区的缓存效率和性能；表明了简单的PV算法易于实现，缓存效果好， 不存在死锁和饥饿问题；还提出了一个比较Unix缓冲区管理算法和PV算法性能的编程方 案。编程项目还可以帮助读者更好地理解文件系统中的I/O操作。

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。

Unix I/O缓冲区管理算法

（1）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。

（2）设备表：每个块设备用一个设备表结构表示。

(3)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。
(4)缓冲区列表：当缓冲区分配给(dev, blk)时，它会被插入设备表的devjist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。由于一个缓冲区不能同时处于空闲状态和繁忙状态，所 以可通过使用相同的next_free指针来维护设备I/O队列。当缓冲区不再繁忙时，它会被释 放回空闲列表，但仍保留在dev list中，以便可能重用。只有在重新分配时，缓冲区才可 能从一个dev_list更改到另一个devjist中。如前文所述，读/写磁盘块可以表示为bread, bwrite和dwrite,它们都要依赖于getblk和brelse。因此，getblk和brelse构成了 Unix缓冲 区管理方案的核心。getblk和brelse算法如下。
(5 ) Unix getblk/brelse 算法

Unix算法的优点：1.数据的一致性；2.缓存效果；3.临界区；

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。

PV算法

BUFFER *getblk(dev,blk)
{
while(1){
(1). p(free); //首先获取一个空闲缓冲区
(2). if (bp in dev_list){ //若该缓冲区在设备表的dev_list中
(3). if (bp not BUSY){ //且处于空闲状态
remove from freelist; //将其从空闲列表中删除
P(bp); //lock bp not wait
return bp;
}
//若缓冲区存在缓存内且繁忙
V(free); //放弃空闲缓冲区
(4). P(bp); //在缓冲队列中等待
return bp;
}
//缓冲区不在缓存中，为磁盘创建一个缓冲区
(5). bp = first buffer taken out of freelist;
P(bp); //lock bp no wait
(6). if (bp dirty){ //若为脏缓冲区
awrite(bp); //缓冲区写入磁盘
continue;
}
(7). reassign bp to (dev,blk); //重新分配
return bp;
}
}
brelse (BUFFER *bp)
{
(8).if (bp queue has waiter) {V(bp); return; }
(9).if (bp dirty && freee queue has waiter){ awrite(bp); return;}
(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

无死锁和饥饿

PV算法缺点
1.一旦没有空闲状态缓冲区，所有请求进程都将被阻塞在getblk()中的(1)。

2.当进程从空闲列表信号量队列中唤醒时，可能发现所需缓冲区已经存在，但处于繁忙，此时将在(4)处被阻塞。