第十二章 块设备I/O和缓冲区管理
第十二章 块设备I/O和缓冲区管理
摘要
- 块设备 I/O 和缓冲区管理;
- 块设备 I/O 的原理和 I/O 缓冲的优点;
- Unix 的缓冲区管理算法;
- 利用信号量设计了新的缓冲区管理算法提高 I/O 缓冲区的缓存效率和性能；
- 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;
- 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
大多数文件系统使用I/O缓冲来减少进出储存设备的物理I/O数量。
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。缓冲区上的start_io()如下
start_io(BUFFER *fp)
{
enter bp into device I/O queue;
if (bp is first buffer in I/O queue)
issue I/O command for bp to device;
}
当I/O操作完成后，设备中断处理程序会完成当前缓冲区上的I/O操作，并启动I/O队列中的下一个缓冲区I/O。设备中断处理程序的算法如下：
InterruptHandler()
{
bp = dequeue(device I/O queue);
(bp->opcode == ASYNC)? brelse(bp) : unblock process on bp;
if (!empty(device I/O queue))
issue I/O command for first bp in I/O queue;
}
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。
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
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。
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算法的独创性：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。
新的I/O缓冲区管理算法
信号量的主要优点是：
(1)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。
(2)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。
使用信号量的缓冲区管理算法
1.保证数据一致性；
2.良好的缓存效果；
3.高效率：没有重试循环，没有不必要的进程“唤醒”
4.无死锁和饥饿。
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);
}
I/O缓冲区管理算法比较
系统组织
- 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
多任务处理系统
- 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。
磁盘驱动程序
两部分组成：
1.start_io():维护设备I/O队列，并对I/O队列中的缓冲区执行I/O操作。
2.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I/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
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。
实现两个版本的缓冲区管理算法：
1.使用休眠/唤醒的Unix算法；
2.使用信号量的新算法。
