第十二章、块设备I/O和缓冲区管理
一、块设备I/O缓冲区
在第11章中，我们展示了读写普通文件的算法。这些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。
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括有效数据，那么它只需从缓冲区中读取数据，而无需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，该缓冲区将被保存至缓冲区缓存中，以供任意进程对同一个块的下一次读/写请求使用。
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()操作如下：
start_io(BUFFER *BP)
{
enter bp into device I/O queue;
If (bp is first buffer in I/O queue)
Issue I/O command for bp to device;
}
getblk（dev,blk）从缓冲区缓存中分配一个指定给（dev,blk）的缓冲区
bread（dev,blk）返回一个包含有效数据的缓冲区指针
brelse（bp）将缓冲区释放回缓冲区缓存
同步写入：用于顺序块或可移动设备，如USB驱动器。
延迟写入：对于随机访问设备，所有写操作都是延迟写操作。在延迟写操作中，dwrite(bp)将缓冲区标记为脏，并将其释放到缓冲区缓存中。
脏缓冲区只有在被重新分配到不同的磁盘块时才会被写入磁盘。
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的I/O（如果队列不为空）。
二、Unix I/O缓冲区管理算法
Unix缓冲区管理子系统由以下几部分组成：
（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。
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
（2）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_list，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。
（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I/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。繁忙缓冲区也可能会在设备表的I/O队列中。由于一个缓冲区不能同时处于空闲状态和繁忙状态，所以可通过使用相同的next_free指针来维护设备I/O队列。当缓冲区不再繁忙时，它会被释放回空闲列表，但仍保留在dev_list中，以便可能重用。
Unix算法的缺点：
虽然Unix算法非常简单和简洁，但它也有以下缺点：
（1）效率低下：该算法依赖于重试循环。
（2）缓存效果不可预知：在Unix算法中，每个释放的缓冲区都可被获取。
（3）可能会出现饥饿：Unix算法基于“自由经济”原则，即每个进程都有尝试的机会，但不能保证成功。因此，可能会出现进程饥饿。
三、新的I/O缓冲区管理算法
与休眠/唤醒相比，信号量的主要优点时：
（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。
这些信号量属性可用于设计更有效的缓冲区管理算法。
使用信号量的缓冲区管理算法
假设有一个单处理器内核（一次运行一个进程）。使用计数信号量上的P/V来设计满足以下要求的新的缓冲区管理算法：
（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
注意，仅通过信号量上的P/V来替换Unix算法中的休眠/唤醒并不可取，因为这样会保留所有的重试循环。
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]); }
（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
（5）无死锁和饥饿