UNIX的缓冲区的管理机制

UNIX的缓冲区班级：09092313UNIX系统内核结构

UNIX能在从微型机直到大型机地各种机器上运行，已成为当今世界最流行的多用户操作系统。UNIX系统在不太长的时间内取得很大成功的根本原因在于UNIX本身的性能和特点。正如图灵奖评选委员会对UNIX的评价中指出：“UNIX系统关于程序设计的新的思想方法成了整整一代软件设计师的楷模。UNIX的天才在于它为程序员提供了一种可以利用别人工作成果的机构。”在Unix系统中，不管是块设备缓冲区管理，还是字符设备缓冲区管理，都采用多缓冲技术，其目的有两个：一是尽力提高CPU和I/O设备的并行工作程度；二是力争提高文件系统信息读写的速度和效率。Unix的块设备共设立了15个512字节的缓冲区；字符设备共设立了100个6字节的缓冲区。每类设备设计了相应的数据结构以及缓冲区自动管理软件。系统设置了多种队列对所有缓冲区进行管理，因为buf记录了与缓冲区有关的各种管理信息，所以缓冲区管理队列实际上是缓存控制块buf队列。图5-9自由buf队列

(1)自由buf队列系统把空闲缓冲区的buf组成空闲buf队列，即自由buf队列。这个队列是双向链结构，队首块为bfreelist，bfreelist和自由buf通过av_forw和av_back作为双向指针，见图5-9。1.多种缓冲区管理队列

图5-10设备buf队列(2)设备缓冲区队列设备缓冲区队列连接所有各类设备使用过的缓冲区，这也是一个双向队列，buf中的b_forw和b_back分别为该队列的前指针和后指针，头部为hbuf，共64个队列。如图5-10所示。一个缓冲区被分配用于读、写某个设备的字符块时，其相应的buf就进入该设备的设备buf队列，并一直保存在该设备buf队列中，除非被移作它用。系统V与第六版有所不同，不是每个块设备一个缓冲队列，同一个块设备的缓冲区可以分布在不同的散列队列，不同设备的缓冲分布均匀，加快缓冲区的搜索速度。(3)空设备队列〔NODEV队列〕NODEV队列是一个特殊的设备buf队列。当系统需要缓存，但它不与特定的设备字符块相关联时，将分配到的缓存控制块buf送入NODEV队列。其队列控制块也是bfreelist，用的指针是b_forw和b_back。在UNIX中有两种情况将buf送入NODEV队列。一种是在进程执行一个目标程序的开始阶段，它用缓存存放传向该目标程序的参数；另一种情况是用缓存存放文件系统的资源管理块。在系统初启时，所有空闲缓冲区的buf既在自由buf队列，又在NODEV的设备buf队列中。(4)设备I/O请求队列每个块设备有一个设备I/O请求队列，单向连接，头部为iobuf，b_actf和b_actl分别指向队首和队尾。以上四个队列所属缓冲区之间的关系总结任何一个缓冲区在稳定的状态下，同时属于二个队列。在自由buf队列中缓冲区可能同时属于NODEV队列〔未分配给指定设备〕，也可能属于设备buf队列〔已经分配给某设备用过，因I/O结束而释放〕。在设备buf队列中的缓冲区，可能挂在自由buf队列〔已用过被释放〕，也可能挂在设备I/O请求队列〔正在使用〕。在NODEV队列中的缓冲区如已用过被释放，肯定在自由buf队列中。在设备I/O请求队列中的缓冲区那么肯定属于设备buf队列。2.缓冲区管理算法1、

一个缓存刚分配用于读写某一块设备，buf的b_flags含有B_BUSY标志。它一定位于相应设备buf队列，不在自由队列。2、一旦读写完成，就释放缓存，清B_BUSY标志。送入自由队列尾，但仍留在原设备队列。3、特点和好处：一个缓存既在设备队列，又在自由队列，只要还要重复使用原设备队列中该缓存内容，就只要简单地将其从自由队列抽出即可，防止了重复I/O。有必要可将缓存重新分配它用，将它从自由队列首和原设备队列同时抽出，送入新的设备队列。操作完成后仍留在新的设备队列并送入自由队列。4、为使一个已释放地缓存尽可能长地保持原先内容，以增加重复使用可能，将其送入自由队列尾，分配作它用缓存从自由队列首取〔FIFO〕。5.当一个buf在自由队列中移动时，只要原设备队列又重新使用它，立即将其从自由队列中间抽取，使用完毕，再次送入自由队列尾〔LRU算法〕。6．对于写，如一块未写满，在b_flags中设置B_DELWRI标志，推迟写，再清B_BUSY，释放至自由队列尾。7.当设置B_DELWRI标志的缓存排到自由队列首时，不能立即淘汰，它作重新分配处理，而是提出I/O，将其内容复制到块设备后，再次释放到自由队列尾(也有释放到自由队列首〕，也清B_DELWRI标志。getblk(dev,blkno){while(未找到相应buf){ if(盘块在设备buf队列中){ if(buf忙){ //b_flags&B_BUSY sleep(buf成为空闲);//B_WANTED continue;/*回到while循环*/ } 标记buf忙； 从自由buf队列中移走该buf; return(buf); }else { /*盘块不在设备buf队列中*/ if(自由队列中已无buf){//bfreelist& sleep(任一buf成为空闲);//B_WANTED continue; /*回到while循环*/ }从自由队列中移走该buf； if(buf标志为“延迟写”){//B_DELWRI 异步写buf到相应设备上； continue; /*回到while循环*/ }

3.缓冲区的分配和释放从原来的设备buf队列中移走该buf； /*找到空闲的buf*/ 把它放在新的设备buf队列中; return(buf); } }}brelse(bp) { 唤醒所有等待自由队列成为“非空”的进程； 唤醒所有等待本buf成为空闲的进程； 提升处理机执行级别，屏蔽中断； if(buf内容有效且不是过时的) 把本buf放入自由队列末尾； /*以备 将来使用*/ else /*如偶尔遇到出错*/ 把本buf放入自由队列的开头； /*以后很少使用它*/ 降低处理机执行级别，开放中断； 解除封锁(buf); }空闲字符缓冲区队列

字符设备缓冲区管理1、空闲字符缓冲区队列2、设备的字符缓冲区队列在字符设备进行I/O时，内核可利用getcf过程从空闲字符缓冲区队列中取得一个空闲缓冲区，假设队列空，说明已无空闲缓冲区可提供，便返回；否那么，从队首取得一个空闲缓冲区，并把指向该缓冲区的指针bp返回给调用者。由于空闲缓冲区队列属于临界资源，故还须采取互斥访问措施，在过程开始处，将处理机的优先级提升为6，在取得空缓冲区之后，再恢复处理机的优先级。其中缓冲队列的根本操作有:从空闲缓冲区队列中摘下一个缓冲区分配给驱动程序。将一个缓冲区释放后放入空闲缓冲队列中。从i/o缓冲队列中提取一个字符，并调整该i/o缓冲低劣的字符计数。把一个字符放入i/o缓冲队列中的最后一个缓冲区的尾部。从i/o缓冲队列中每次移走一个缓冲区的所有字符或者n〔n>1〕个字符。往i/o缓冲队列中每次送一个缓冲区的字符或者n〔n>1〕个字符。设备的字符缓冲区队列

getc过程该过程用于从一个clist结构的队首指针所指示的字符缓冲队列中，取出为首的字符，然后修改该队列的可用字符计数和队首指针。当取完一个缓冲区中的所有字符时，将释放该缓冲区。该过程的返回值是取出的字符。

putc过程该过程用于将一个字符C放入设备的指定字符缓冲区队列的末尾。假设此时该队列空、或队列的最后一个缓冲区已满，且空闲字符缓冲区队列也空，该过程无法将字符放入队列中，那么返回“-1”。getcb过程该过程用于从指定的设备字符缓冲区队列中，取出第一个缓冲区，并将该队列的可用字符计数减去第一个缓冲区中的字符数，然后返回指向该缓冲区的指针bp。假设该缓冲区已是该队列中惟一的缓冲区，那么置队尾指针为空。

putcb过程该过程用于将由bp所指向的缓冲区放入指定的设备字符缓冲区队列的末尾，然后将该队列的可用字符计数加上bp缓冲区中的字符数后返回。盘块设备缓冲区管理1、盘块缓冲区及其首部

空闲队列(链)及散列队列缓冲首部2、盘块缓冲池结构3、盘块缓冲区的分配getblk()过程该过程用于从空闲缓冲区队列中获得任一空闲缓冲区。该过程首先检查空闲块缓冲队列是否为空，假设空，便调用sleep过程进入睡眠等待，直至在空闲块缓冲队列中出现空闲缓冲区为止；否那么，从空闲块缓冲队列中摘下第一个缓冲区。假设在其缓冲首部中还有延迟写标志，那么还须调用bdwrite过程，将此缓冲区中的数据写回到磁盘中，再从空闲队列中取得一个空缓冲区；否那么，便将b-flag中的b[CD*2]busy标志置为1，并返回指向该缓冲区的指针bp。getblk过程分配缓冲区时，可分为如下两种情况：

〔1〕缓冲区在散列队列上。进入getblk过程后，首先根据文件系统号和盘块号去查找散列队列，假设找到与文件系统号和盘块号相匹配的缓冲区，便可进一步检查该缓冲区是否空闲。假设空闲，那么应先上锁，以防止其他进程对它进行访问，然后把它从空闲缓冲区链上摘下；假设忙，那么说明缓冲区已被其他进程上锁，因此暂时不能对它进行访问，进程进入睡眠，直至该缓冲区变为空闲时再将进程唤醒。

〔2〕缓冲区不在散列队列上。假设在散列队列中找不到与文件系统号及盘块号相匹配的缓冲区，便只有从空闲缓冲区链表中找一个缓冲区。假设空闲缓冲区链表已空，那么无法进行分配，进程睡眠，直到空闲缓冲区链表中出现缓冲区为止；假设空闲缓冲区链表不空，这时可从链首摘下一个缓冲区，假设此缓冲区标记有“延迟写”，此时应将该缓冲区内容异步地写到磁盘上，再从空闲缓冲区链表中摘下一个缓冲区，并调整该缓冲区所在的散列队列，即将该缓冲区从原来的空闲缓冲区链表调整到新的散列队列中。因为当该缓存区重新分配后，缓冲区对应的盘块号发生了变化，从而也相应的改变了其所在的散列队列。getblk(dev,blkno)过程

该过程用于为指定设备dev和盘块号为blkno的盘块申请一个缓冲区。核心首先检查要读入的盘块内容是否已在某个缓冲区中，假设发现已在某缓冲区中，便不再从磁盘上读；否那么，核心须从磁盘上将数据读入，这时才需为其分配一个空缓冲区。类似地，当要把数据写入一特定盘块时，核心先检查该盘块的内容是否已在某缓冲区，仅当该块的内容尚不在缓冲区中时，才需调用getblk()过程，分配一个空缓冲区。4、盘块缓冲区的回收当核心用完某缓冲区时，可