20201322陈俊池学习笔记10
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 1/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。
块设备I/O缓冲区
与内存访问相比，磁盘I/O速度较慢，所以不希望在每次执行读写文件操作时都执行磁盘I/O。因此，大多数文件系统使用I/O缓冲来减少进出存储设备的物理I/O数量
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。
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。
物理块设备I/O :每个设备都有一个I/O队列，其中包含等待I/O操作的缓冲区。
Unix I/O缓冲区管理算法
Unix缓冲区管理子系统由以下几部分组成：
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
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];
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。
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.
getblk/brelse 算法
getblk和brelse构成了Unix缓冲区管理方案的核心.
Unix算法的优缺点
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。
使用信号量的缓冲区管理算法
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);
}
实践与内容截图
perror函数：
perror(s) 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，后面再加上错误原因字符串。此错误原因依照全局变量errno的值来决定要输出的字符串。
代码：
#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
FILE* fd;
fd=fopen("test","r");
if(fd==NULL){
perror("error:");
return -1;
}
return 0;
}
