Ch12 块设备I/O和缓冲区管理

12.1 块设备I/O缓冲区

1. 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。
   • 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，以延退写入，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/写清求，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入磁盘。

2. 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。

12.2 I/O缓冲区管理算法

Unix I/O缓冲区管理算法最早出现在第6版Unix中(Ritchie和Thompson 1978 ；Lion 1996 )。

Unix缓冲区管理子系统由以下几部分组成：

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。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。

   typdef struct buf{
   struct buf *next_free; // freelist pointer
   struct buf *next_dev; // dev_list pointer
   int dev,blk; // assigned disk block;
   int opcode; // READ|WRITE
   int dirty; // buffer data modified
   int async; // ASYNC write flag
   int valid; // buffer data valid
   int busy; // 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/O completion;
   char buf[BLKSIZE]; // block data area
   } 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
   BUFFER *dev_list; // device buffer list
   BUFFER *io_queue; // device I/O 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

5. Unix getblk/brelse algorithm

   1. 数据一致性：为确保数据一致性，getblk一定不能给同一个(dev, blk)分配多个缓冲区。这可以通过让进程从休眠状态唤醒后再次执行“重试循环“来实现。可以验证分配的每个缓冲区都是唯一的一其次，脏缓冲区在重新分配之前被写出来，这保证了数据的一致性。
   2. 缓存效果：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，这是基于LRU (最近最少使用)原则， 它有助于延长所分配缓冲区的使用期，从而提高它们的缓存效果。
   3. 临界区：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)。所以，在getb汰和brelse中，设备中断在这些临界区中会被屏蔽。这些都是隐含的，没有在算法中表现出来。

   /* getblk: return a buffer=(dev,blk) for exclusive use */
   BUFFER *getblk(dev,blk){
   while(1){
   (1). search dev_list for a bp=(dev, blk);
   360 12 Block Device I/O and Buffer Management
   (2). if (bp in dev_lst){
   if (bp BUSY){
   set bp WANTED flag;
   sleep(bp); // wait for bp to be released
   continue; // retry the algorithm
   }
   /* bp not BUSY */
   take bp out of freelist;
   mark bp BUSY;
   return bp;
   }
   (3). /* bp not in cache; try to get a free buf from freelist */
   if (freelist empty){
   set freelist WANTED flag;
   sleep(freelist); // wait for any free buffer
   continue; // retry the algorithm
   }
   (4). /* freelist not empty */
   bp = first bp taken out of freelist;
   mark bp BUSY;
   if (bp DIRTY){ // bp is for delayed write
   awrite(bp); // write bp out ASYNC;
   continue; // from (1) but not retry
   }
   (5). reassign bp to (dev,blk); // set bp data invalid, etc.
   return bp;
   }
   /** brelse: releases a buffer as FREE to freelist **/
   brelse(BUFFER *bp){
   if (bp WANTED)
   wakeup(bp); // wakeup ALL proc’s sleeping on bp;
   if (freelist WANTED)
   wakeup(freelist); // wakeup ALL proc’s sleeping on freelist;
   clear bp and freelist WANTED flags;
   insert bp to (tail of) freelist;
   }
   

6. 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

12.3 新的I/O缓冲区管理算法

P/V算法

BUFFER *getblk(dev, blk)
{
while(1){
(1). P(free); // get a free buffer first
(2). if (bp in dev_list){
(3). if (bp not BUSY){
remove bp from freelist;
P(bp); // lock bp but does not wait
return bp;
}
// bp in cache but BUSY
V(free); // give up the free buffer
(4). P(bp); // wait in bp queue
return bp;
}
// 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){
awrite(bp); // write bp out ASYNC, no wait
continue; // continue from (1)
}
(7). reassign bp to (dev,blk); // mark bp data invalid, not dirty
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); return; }
(10). enter bp into (tail of) freelist; V(bp); V(free);
}