20191305李天琦第十二章学习笔记
摘要：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。
12.1 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。
12.2 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。
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
（2）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];
（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 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。
12.3 新的I/O缓冲区管理算法
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。
这些信号量属性可用于设计更有效的缓冲区管理算法。使用信号量的缓冲区管理算法：
假设有一个单处理器内核（一次运行一个进程）。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∶
（1）保证数据一致性。
（2）良好的缓存效果。
（3）高效率∶没有重试循环，没有不必要的进程"唤醒"。
（4）无死锁和饥饿。
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。
多任务处理系统:这是多任务处理系统的CPU端，模拟单处理器（单CPU）文件系统的内核模式。实际上，它与第 4章中所述的用于用户级线程的多任务系统相同，只是以下修改除外。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，并将它们输入readyQueue。
由于主任务的优先级最低，所以如果没有可运行的任务或所有任务都已结束，它将再次运行。在后一种情况下，主任务执行end task（），在其中收集并显示模拟结果，然后终止，从而结束模拟运行。
所有工作任务都执行同一个body（）函数，其中每个任务从输入文件中读取命令来执行读或写磁盘块操作，直到命令文件结束。
12.4 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);
}
（1）缓冲区唯一性：在 getblk（）中，如果有空闲缓冲区，则进程不会在（1）处等待，而是会搜索 dev list。如果所需的缓冲区已经存在，则进程不会重新创建同一个缓冲区。如果所需的缓冲区不存在。则进程会使用个空闲缓冲区来创建所需的缓冲区。而这个空闲缓冲区保证是存在的。如果没有空闲缓冲区，则需要同一个缓冲区的几个进程可能在（1）处阻塞。当在（10）处释放出一个空闲缓冲区时，它仅释放一个进程来创建所需的缓冲区。一旦创建了缓冲区，它就会存在于dev list中，这将防止其他进程再次创建同一个缓冲区。因此，分配的每个缓冲区都是唯一的。
（2）无重试循环：进程重新执行while（1）循环的唯一位置是在（6）处，但这不是重试，因为进程正在不断地执行。
（3）无不必要唤醒：在 getblk（中，进程可以在（1）处等待空闲缓冲区也可以在（4）处等待所需的缓冲区。在任意一种情况下，在有缓冲区之前，都不会唤醒进程重新运行。此外，当在（9）处有一个脏缓冲区即将被释放并且在（1）处有多个进程等待空闲缓冲区时，该缓冲区不会被释放而是直接被写入。这样可以避免不必要的进程唤醒。
（4）缓存效果：在 Unix算法中，每个释放的缓冲区都可被获取。而在新的算法中，始终保留含等待程序的缓冲区以供重用。只有缓冲区不含等待程序时，才会被释放为空闲。这样可以提高缓冲区的缓存效果。
（5）无死锁和饥饿：在 getblk（）中，信号量锁定顺序始终是单向的，即 P（free），然后是P（bp），但决不会反过来，因此不会发生死锁。如果没有空闲缓冲区，所有请求进程都将在（1）处阻塞。这意味着，虽然有进程在等待空闲缓冲区，但所有正在使用的缓冲区都不能接纳任何新用户。这保证了繁忙缓冲区最终将被释放为空闲缓冲区。因此，不会发生空闲缓冲区饥饿的情况。
12.5 模拟系统的改进
Unix信号最初设计用于以下用途
（1）模拟系统可以扩展为支持多个磁盘控制器，而不是单独一个磁盘控制器，这样可通过一个数据信号来缓解I/O堵塞。
（2）可用非均匀分布生成输人命令，以改善实际系统中模型文件操作。例如，可以生成更多的读命令而不是写命令，以及一些设备上有更多的I/O需求等。
12.6 PV算法的改进
PV算法非常简单，易于实现，但是它有以下两个缺点。首先，它的缓存效果可能并非最佳。这是因为一旦没有空闲缓冲区，所有请求进程都将被阻塞在 getblk（）中的（1）处，即使它们所需的缓冲区可能已经存在于缓冲区缓存中了。其次，当进程从空闲列表信号量队列中唤醒时，它可能会发现所需的缓冲区已经存在，但处于繁忙状态，在这种情况下，它将在（4）处再次被阻塞。严格地说，进程被不必要地唤醒了，因为它被阻塞了两次。