20201220蔡笃俊《信息安全系统设计与实现》第十二章学习笔记

一、任务内容

自学教材第12章，提交学习笔记（10分）
知识点归纳以及自己最有收获的内容（3分）
问题与解决思路（2分）
实践内容与截图，代码链接（3分）
...（知识的结构化，知识的完整性等，提交markdown文档，使用openeuler系统等）（2分）

二、知识点归纳

本章讨论了块设备IO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IO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。

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。

2.Unix/Linux中的信号处理

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。
设备表:每个块设备用一个设备表结构表示。
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T/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。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。
Unix getblk/brelse算法

3. 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);
}

特点：

缓冲区唯一性
无重试循环
无不必要唤醒
缓存效果

4. I/O缓冲区管理算法比较

项目分为以下几个结构：

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
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。
缓冲区管理器
磁盘驱动程序：start_io():维护设备IO队列,并对IO队列中的缓冲区执行I/O操作；中断处理程序:在每次I/O操作结束时，磁盘控制器会中断 CPU。
磁盘控制器：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。
- 命令:从CPU到磁盘控制器的1/O命令。
- DataOut:在写操作中从CPU到磁盘控制器的数据输出。
- DataIn:在读操作中从磁盘控制器到CPU的数据。
- IntStatus:从磁盘控制器到CPU的中断状态。
- IntAck:从 CPU到磁盘控制器的中断确认。
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。
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。

三、实践过程与截图

尝试Unix I/O缓冲区管理算法：

一、perror()

perror()用来将上一个函数发生错误的原因输出到标准设备 (stderr) 。参数 s 所指的字符串会先打印出,后面再加上出错原因字符串。此错误原因依照全局变量error 的值来决定要输出的字符串。在库函数中有个error变量，每个 error值对应着以字符串表示的错误类型，可以利用strerror（int）函数将出错字符串信息打印出来。当调用"某些"函数出错时，该函数已经重新设置了error的值。perror函数只是将你入的一些信息和现在的error所对应的错误一起输出。

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    FILE* fd;
    fd = fopen("/src/hello","r");
    if(NULL == fd)
    {
        perror("can not open file");
        return -1;
    }
    return 0;
}

二、setvbuf（）

使用setvbuf函数改变终端原有的行缓冲为无缓冲（第一个sleep3秒时 hotice0不会显示，打印test\n时会将hotice0一起显示，而后面的hotice0会直接打印出来）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char **args)
{
    printf("hotice0");
    sleep(3);

    printf(" test\n");
    sleep(3);

    if (setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0) < 0) {
        perror("setvbuf");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("hotice0");
    sleep(3);

    printf("done\n");
    return EXIT_SUCCESS;
}

进程同步——消费者问题：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>
#include <errno.h>
#define total 20
sem_t remain, apple, pear, mutex;
static unsigned int vremain = 20, vapple = 0, vpear = 0;
void *father(void *);
void *mather(void *);
void *son(void *);
void *daughter(void *);
void print_sem();
int main()
{  
    pthread_t fa, ma, so, da;  
    sem_init(&remain, 0, total);//总数初始化为20 
    sem_init(&apple, 0, 0);//盆子中苹果数, 开始为0  
    sem_init(&pear, 0, 0);//盆子中梨子数, 开始为0   
    sem_init(&mutex, 0, 1);//互斥锁, 初始为1 
    pthread_create(&fa, NULL, &father, NULL);  
    pthread_create(&ma, NULL, &mather, NULL);  
    pthread_create(&so, NULL, &son, NULL); 
    pthread_create(&da, NULL, &daughter, NULL);    
    for(;;);
}
void *father(void *arg)
{  
    while(1)
    {      
        sem_wait(&remain);     
        sem_wait(&mutex);      
        printf("before A: remain=%u, apple_num=%u\n", vremain--, vapple++);
        printf("after A: remain=%u, apple_num%u\n", vremain, vapple);
        sem_post(&mutex);      
        sem_post(&apple);  
        sleep(1);  
    }
}
void *mather(void *arg)
{  
    while(1)
    {      
        sem_wait(&remain);     
        sem_wait(&mutex);      
        printf("before B: remain=%u, pear_num=%u\n", vremain--, vpear++);
        printf("after B: remain=%u, pear_num%u\n", vremain, vpear);
        sem_post(&mutex);  
        sem_post(&pear);   
        sleep(2);  
    }
}
void *son(void *arg)
{  
    while(1)
    {      
        sem_wait(&pear);   
        sem_wait(&mutex);   
        printf("before C: remain=%u, pear_num=%u\n", vremain++, vpear--);
        printf("after C: remain=%u, pear_num=%u\n", vremain, vpear);
        sem_post(&mutex);  
        sem_post(&remain);     
        sleep(3);
    }
}
void *daughter(void *arg)
{  
    while(1)
    {  
        sem_wait(&apple);  
        sem_wait(&mutex);
        printf("before D remain=%u, apple_num=%u\n", vremain++, vapple--);
        printf("after D: remain=%u, apple_num=%u\n", vremain, vapple);   
        sem_post(&mutex);  
        sem_post(&remain); 
        sleep(3);  
    }
}
void print_sem()
{  
    int val1, val2, val3;
    sem_getvalue(&remain, &val1);  
    sem_getvalue(&apple, &val2);   
    sem_getvalue(&pear, &val3);
    printf("Semaphore: remain:%d, apple:%d, pear:%d\n", val1, val2, val3);
}

三、问题与解决思路

问题：setbuf()函数和setvbuf()函数的区别是什么？

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
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。

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。简单来理解，setbuf()函数：把缓冲区与流相关联头文件；setvbuf()函数：设置文件流的缓冲区头文件。
参考链接：https://blog.csdn.net/weixin_42394206/article/details/117008357

posted @ 2022-11-01 11:26 acacacac 阅读(73) 评论(0) 编辑收藏举报

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