Linux系统编程 第12章学习笔记

块设备I/O和缓冲区管理

 

块设备I/O缓冲区

I/O缓冲区作为块设备的缓存内存存在

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。

 

Unix I/O缓冲区管理算法

I/O缓冲区：内核中的一系列NBUF缓冲区用作缓冲区缓存，每个缓冲区用一个数据结构表示

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

Unix getblk/brelse算法

数据一致性：不能给同一个(dev, blk)分配多个缓冲区

缓存效果：LRU原则

临界区：设备中断处理程序可操作缓冲区列表

缺点：

·效率低下

·缓存效果不可预知

·可能会出现饥饿

·该算法只适用于单处理器的休眠/唤醒操作

 

新的I/O缓冲区管理算法

信号量的主要优点：

·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。

·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。

算法要求：

·保证数据一致性。

·良好的缓存效果。

·高效率：没有重试循环，没有不必要的进程“唤醒”。

·无死锁和饥饿。

 

 

P/V算法

·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

 

模拟系统的改进

·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。

·可用非均匀分布生成输入命令，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。

 

代码截图：