学习笔记
20191318 王泽文
《Unix/Linux系统编程》
第十二章 块设备I/O和缓冲区管理
本章讨论了块设备 I/O 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。
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。如果该绥冲区不存在，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，它将数据写入绥冲区，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。
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扭， 其中每个位表示一个唯一的状态条件。
- 设备表：每个块设备用一个设备表结构表示。
- 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。
- 缓冲区列表： 当缓冲区分配给 (dev, blk) 时， 它会被插人设备表的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。 只有在重新分配时， 缓冲区才可能从一个 dev_list 更改到另一个 dev_list 中。 如前文所述， 读／写磁盘块可以表示为 bread 、 bwrite 和dwrite, 它们都要依赖于 getblk 和 brelse。 因此， getblk 和 brelse 构成了 Unix 缓冲区管理方案的核心。
Unix算法的一些具体说明
- 数据一致性：为了确保数据－致性，getblk一定不能给同一个(dev,blk)分配多个缓冲区。这可以通过让进程从休眠状态唤醒后再次执行“重试循环”来实现。读者可以验证分配的每个缓冲区都是唯一的。其次，脏缓冲区在重新分配之前被写出来，这保证了数据的一致性。
- 缓存效果：缓存效果可通过以下方法实现。释放的缓冲区保留在设备列表中，以便可能重用。标记为延迟写入的缓冲区不会立即产生I/O、并且可以重用。缓冲区会被释放到空闲列表的末尾，但分配是从空闲列表的前面开始的。这是基于LRU（最近最少使用）原则， 它有助于延长所分配缓冲区的使用期，从而提高它们的缓存效果。
- 临界区：设备中断处理程序可操作缓冲区列表，例如从设备表的I/O队列中删除 bp. 更改其状态并调用brelse(bp)。所以，在getblk和brelse中，设备中断在这些临界区中会被屏蔽。这些都是隐含的，但没有在算法中表现出来。
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。
- 效率低下：该算法依赖于重试循环。例如，释放缓冲区可能会唤醒两组进程：需要释放的缓冲区的进程，以及只需要空闲缓冲区的进程。由于只有一个进程可以获取释放的缓冲区，所以，其他所有被唤醒的进程必须重新进入休眠状态。从休眠状态唤醒后，每个被唤醒的进程必须从头开始重新执行算法，因为所需的缓冲区可能已经存在。这会导致过多的进程切换。
- 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。如果缓冲区由需要空闲绥冲区的进程获取，那么将会重新分配缓冲区．即使有些进程仍然需要当前的缓冲区。
- 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。
- 该算法使用只适用于单处理器系统的休眠／唤醒操作。