《Unix/Linux系统编程》第12章学习笔记
第12章 块设备I/O和缓冲区管理
知识点总结
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，将数据从磁盘读入缓冲区，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，它将数据写人缓冲区，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1O。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
-
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。
为了保护内核内存，状态字段可以定义为一个位向量，其中每个位表示一个唯一的状态条
件。为了便于讨论，这里将它们定义为int。 -
设备表：每个块设备用一个设备表结构表示。
每个设备表都有一个dev_Iist，包含当前分配给该设备的I/O缓冲区，还有一个io_queue，包含设备上等待I/O操作的缓冲区。I/O队列的组织方式应确保最佳I/O操作。例如，它可以实现各种磁盘调度算法，如电梯算法或线性扫描算法等。为了简单起见，Unix使用FIFO I/O队列。
-
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
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/医腿操作。
12.3 新的I/O缓冲区管理法
信号量的主要优点是：
- 计数信号量可用来表示可用资源的数量。例如：空阅冲区的数量。
- 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，改进程不必重试，因为它保证拥有资源。
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);
}
证明PV算法正确性：
- 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
实践内容
模拟实现信号量实现进程间通信
#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("父亲: 放苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain--, vapple++);
printf("父亲: 放苹果之后, 剩余空间=%u, 苹果数=%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("母亲: 放梨子之前, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain--, vpear++);
printf("母亲: 放梨子之后, 剩余空间=%u, 梨子数=%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("儿子: 吃梨子之前, 剩余空间=%u, 梨子数=%u\n", vremain++, vpear--);
printf("儿子: 吃梨子之后, 剩余空间=%u, 梨子数=%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("女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%u\n", vremain++, vapple--);
printf("女儿: 吃苹果之前, 剩余空间=%u, 苹果数=%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);
}
