20191218 2021-2022-1-diocs-块设备和缓冲区管理（学习笔记10）
思维导图
知识总结
- 解释块设备I/O的原理和I/O缓冲的优点
- 介绍Unix的缓冲区管理算法
- 利用信号量设计新的缓冲区管理算法，以提高I/O缓冲区的缓存效率和性能
- 介绍简单的PV算法及其特点
基本概念
读写普通文件的算法依赖于两个关键操作，即get_block和put_block，这两个操作将磁盘块读写到内存缓冲区中。由于与内存访问相比，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。
合理设计的I/O缓冲方案可显著提高文件I/O效率并增加系统吞吐量。
I/O缓冲的基本原理非常简单。文件系统使用系列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。
在read file/write file中，我们假设它们从内存中的一个专用缓冲区进行读/写。
对于I/O缓冲，将从缓冲区缓存中动态分配缓冲区。假设BUFFER是缓冲区的结构类型，而且getblk(dev，blk)从缓冲区缓存中分配一个指定给(dev，blk)的缓冲区。定义一个bread(dev，blk)函数，它会返回一个包含有效数据的缓冲区（指针）。
从缓冲区读取数据后，进程通过brelse(bp)将缓冲区释放会缓冲区缓存。同理，定义一个write_block(dev, blk, data)函数。
同步写入操作等待写操作完成，用于顺序块或可移动块设备。
当I/O操作完成后，设备中断处理程序会完成当前缓冲去上的I/O操作，并启动I/O队列中下一个缓冲区的I/O。
Unix I/O缓冲区管理算法
实践过程
1. 信号同步
生产者消费者问题
吃梨子和吃苹果
2. setbuf函数和setvbuf函数
函数setbuf()用于将指定缓冲区与特定的文件流相关联，实现操作缓冲区时直接操作文件流的功能。
函数原型为void setbuf(FILE * stream, char * buf);
参数stream为文件流指针，buf为缓冲区的起始地址。
如果参数buf 为NULL 指针，则为无缓冲，setbuf()相当于调用setvbuf(stream, buf, buf ? _IOFBF : _IONBF, BUFSIZE)。
在打开文件流后，读取内容之前，可以调用setbuf()来设置文件流的缓冲区
setvbuf()函数设置文件流的缓冲区
函数原型为int setvbuf(FILE * stream, char * buf, int type, unsigned size);
参数stream为文件流指针，buf为缓冲区首地址，type为缓冲区类型，size为缓冲区内字节的数量。
setbuf()和setvbuf()函数的实际意义在于：用户打开一个文件后，可以建立自己的文件缓冲区，而不必使用fopen()函数打开文件时设定的默认缓冲区。这样就可以让用户自己来控制缓冲区，包括改变缓冲区大小、定时刷新缓冲区、改变缓冲区类型、删除流中默认的缓冲区、为不带缓冲区的流开辟缓冲区等。