第12章学习笔记
一、概述
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。
二、块设备I/O缓冲区
文件系统使用一系列IO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，它将数据写入缓冲区，将缓冲区标记为脏，以延迟写人，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L/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。
三、Unix I/O缓冲区管理算法
- (1)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。
- (2)设备表:每个块设备用一个设备表结构表示。
- (3)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。
- (4)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。
- (5) Unix getblk/brelse算法
四、PV算法
empty[s2] = m;
full[s2] = 0;
while(1)//写进程
{
for(i = 0; i< s2; i++)
{
P(empty[i]);
}
P(mutex);
消息放入缓冲区；
V(mutex);
for(i = 0; i< s2; i++)
{
V(full[i]);
}
}
while(1)//读进程
{
P(full[i]);
P(mutex);
读取缓冲区；
V(mutex);
V(empty[i]);
}
【特点】：
- (1)缓冲区唯一性。
- (2)无重试循环。
- (3)无不必要唤醒。
-（4）缓存效果。
五、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。
六、实践内容与截图
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;
}
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;
}
七、问题与解决：
问题：setbuf()函数和setvbuf()函数的区别是什么？
解决：找到了一篇博客的说明：https://blog.csdn.net/weixin_42394206/article/details/117008357
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。