第12章 块设备I/O和缓冲区管理
1.块设备缓冲区
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。
2.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缓存区
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并从空闲列表中删除。繁忙缓冲区也可能回在设备表的I/O队列中。
(5)Unix getblk/brelse算法
Unix算法的缺点：
(1)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。
(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'如果缓冲区 由需要空闲缓冲区的进程获取，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。
(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。
(4)该算法使用只适用于单处理器系统的休眠/唤醒操作。
12.3 新的I/O缓冲区管理算法
信号量的主要优点：
(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：
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。
Unix算法的缺点：
(1)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。
(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'如果缓冲区 由需要空闲缓冲区的进程获取，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。
(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
(4)该算法使用只适用丁单处理器系统的休眠/唤醒操作
PV算法
(1)缓冲区唯一性：在getblk()中，如果有空闲缓冲区，则进程不会在(1)处等待，而是会搜索dev_listc如果所需的缓冲区已经存在，则进程不会重新创建同一个缓冲区。如果所需的缓冲区不存在，则进程会使用一个空闲缓冲区来创建所需的缓冲区。而这个空闲缓冲区保证是存在的，如果没有空闲缓冲区，则需要同一个缓冲区的几个进程可能在(1)处阻塞。当在(10)处释放出一个空闲缓冲区时，它仅释放一个进程来创建所需的缓冲区。旦创建了缓冲区，它就会存在于dev_list中，这将防止其他进程再次创建同一个缓冲区。因此，分配的每个缓冲区都是唯一的。
(2)无重试循环：进程重新执行while(l)循环的唯一位置是在(6)处，但这不是重试，因为进程正在不断地执行。
(3)无不必要唤醒：在getblk()中，进程可以在(1)处等待空闲缓冲区，也可以在(4)处等待所需的缓冲区，在任意一种情况下，在有缓冲区之前，都不会唤醒进程重新运行。此外，当在(9)处有一个脏缓冲区即将被释放并且在(1)处有多个进程等待空闲缓冲区时，该缓冲区不会被释放而是直接被写入。这样可以避免不必要的进程唤醒。
(4)缓存效果：在Unix算法中，每个释放的缓冲区都可被获取。而在新的算法中，始终保留含等待程序的缓冲区以供重用一只有缓冲区不含等待程序时，才会被释放为空闲。这样可以提高缓冲区的缓存效果，
(5)无死锁和饥饿：在getblk()中、信号量锁定顺序始终是单向的，即P(free),然后是P(bp),但决不会反过来，因此不会发生死锁：如果没有空闲缓冲区，所有清求进程都将在(1)处阻塞，这意味着，虽然有进程在等待空闲缓冲区，但所有正在使用的缓冲区都不能接纳任何新用户。这保证了繁忙缓冲区最终将被释放为空闲缓冲区。因此，不会发生空闲缓冲区饥饿的情况。