目錄

• 概念介紹
• Unix系統的 I/O緩衝區管理演算法
• 新的I/O緩衝區管理演算法

概念介紹

1. 塊裝置I/O緩衝區

   用來代替磁碟I/O的檔案存取方法，基本原理是使用一系列的I/O緩衝區作為塊裝置的快取記憶體。當程序試圖讀取(dev, blk)標識的磁碟塊時，它首先在緩衝區快取中搜索分配給磁碟塊的緩衝區。如果該緩衝區存在並且包含有效資料,那麼它只需從緩衝區中讀取資料，而無須再次從磁碟中讀取資料塊。如果該緩衝區不存在，它會為磁碟塊分配一個緩衝區，將資料讀入緩衝區中，再從緩衝區中讀取資料。當某個塊被讀入時，該緩衝區將被儲存在緩衝區快取中，以供任意程序對同一個塊的下一次讀/寫請求使用。同樣，當程序寫入磁碟塊時，它首先會獲取一個分配給該塊的緩衝區。然後，它將資料寫入緩衝區，將緩衝區標記為髒，以延遲寫人，並將其釋放到緩衝區快取中。由於髒緩衝區包含有效的資料，因此可以使用它來滿足對同一塊的後續讀/寫請求，而不會引起實際磁碟L/O。髒緩衝區只有在被重新分配到不同的塊時才會寫入磁碟。

2. 基本定義

   • bread(dev , blk)函式

     返回一個包含有效資料的緩衝區指標

     BUFFER *bread(dev,blk)
     {
     	BUFFER *bp =» getblk(dev,blk)} //get a buffer for(dev,blk)
         if (bp data valid)
     		return bp;
     	bp -> opcode = READ;		 //issue READ operation
     	start_io(bp);
     	wait for I/O complete;
     	return bp;
     }
     

   • write_block(dev , blk , data)函式

     釋放緩衝區

     write_block(dev , blk , data)
     {
     	BUFFER *bp = bread(dev , data) //write data for U space
     	write data to bp;
     	(synchronous write)? bwrite(bp) : dwrite(bp);
     }
     

     其中bwrite(bp)表示同步寫入，一般用於USB驅動器之類的裝置。

     dwrite(bp)表示延遲寫入，是隨機訪問裝置如硬碟所使用的寫操作方式，dwrite會將緩衝區標記為髒，髒緩衝區只有在被重新分配到不同的磁碟塊時才會被寫入磁碟。

   3. 物理塊裝置I/O

      每個裝置都有一個I/O佇列，其中包含等待I/O操作的緩衝區。

      緩衝區上的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;
      }
      

      當I/O操作完成後,裝置中斷處理程式會完成當前緩衝區上的I/O操作,並啟動I/O佇列中的下一個緩衝區的I/O。裝置中斷處理程式的演算法如下：

      InterruptHandler()
      {
      	bp = dequeue(device I/O queue); //bp = remove head of I/O queue
      	(bp -> opcode == ASYNC)? brelse(bp) : unblock process on bp;
      	if (!empty(device I/O queue))
      		issue I/O command for first bp in I/O queue;
      }
      

Unix系統的 I/O緩衝區管理演算法

1. Unix系統的I/O緩衝區管理子系統一般有以下個5部分:
   • I/O緩衝區:核心中的一系列NBUF緩衝區
   • 裝置表:每個塊裝置用一個裝置表結構表示
   • 快取區初始化:系統啟動時的I/O緩衝區都處在空閒列表,所有裝置列表和I/O佇列皆為空\
   • 緩衝區列表:當緩衝區被分配給(dev , blk)時,插入裝置列表的dev_list中
   • Unix get/brelse演算法:用於重新分配緩衝區
2. Unix演算法的缺點:
   • 效率低下：該演算法依賴於重試迴圈，例如，釋放緩衝區可能會喚醒兩組程序：需要釋放的緩衝區的程序，以及只需要空閒緩衝區的程序。由於只有一個程序可以獲取釋放的緩衝區，所以，其他所有被喚醒的程序必須重新進入休眠狀態。從休眠狀態喚醒後，每個被喚醒的程序必須從頭開始重新執行演算法，因為所需的緩衝區可能已經存在。這會導致過多的程序切換。
   • 快取效果不可預知：在Unix演算法中，每個釋放的緩衝區都可被獲取'如果緩衝區 由需要空閒緩衝區的程序獲取，那麼將會重新分配緩衝區，即使有些程序仍然需要當前的緩衝區。
   • 可能會出現飢餓：Unix演算法基於“自由經濟”原則，即每個程序都有嘗試的機會，但不能保證成功，因此，可能會出現程序飢餓。
   • 該演算法使用只適用於單處理器系統的休眠/喚醒操作

新的I/O緩衝區管理演算法

1. Unix演算法雖然簡單，但也有許多缺點，所以需要一個更可靠的I/O緩衝區管理演算法。這個新的演算法即使用訊號量的緩衝區管理演算法。

2. 使用訊號量的緩衝區管理演算法

   使用P/V訊號量實現程序同步的演算法：

   BUFFER *getb1k(dev,blk)：
   while(1){(1). P(free);
   //get a free buffer first if (bp in dev_1ist){(2). if (bp not BUSY){
   remove bp from freelist;P(bp);
   // lock bp but does not wait
   (3).return bp;
   // bp in cache but BUSY V(free);
   // give up the free buffer
   (4).P(bp);
   // wait in bp queue
   return bp;v
   // bp not in cache,try to create a bp=(dev,blk)
   (5).bp = frist buffer taken out of freelist;P(bp);
   // lock bp,no wait
   (6).if(bp dirty){
   awzite(bp);
   // write bp out ASYNC,no wait
   continue;
   // continue from (1)
   (7).reassign bp to(dev,blk);1/ mark bp data invalid,not dir return bp;-
   // end of while(1)；
   brelse(BUFFER *bp)，
   {
   (8).iF (bp queue has waiter)( V(bp); return; ]
   (9).if(bp dirty && free queue has waiter){ awrite(bp);zeturn;}(10).enter bp into(tail of) freelist;V(bp);V(free);
   }
   

3. P/V演算法的正確性驗證

   • 緩衝區唯一
   • 無重試迴圈
   • 無不必要喚醒
   • 快取效果
   • 無死鎖或飢餓