I/O管理

引入缓冲区的原因

降低设备速率低的一种策略

提高效率 磁盘调度、RAID

分层设计

两大架构：①效率 ②通用性

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假定:一个用户进程将从磁带上读入若干抉数据(每块100字节);数据块装入用户进程地址空间中的一个数据区，其虚拟地址为1000~1099 ( 100字节)
请问:如果从磁带上读进一块数据并直接把它送入用户进程的工作区，会有什么问题?

由于磁带机的速率很慢，因此当进程申请I/O数据读入时，该进程会阻塞，以等待该数据的载入，如果此该存储该数据的内存地址空间，由于进程被挂起，而分配给其他进程，那么当磁带机读入的数据就可能会丢失，此时那个被阻塞的进程永远等不到自己需要的数据，而陷入了无限等待。所以没有缓冲区时，可能会发生单进程死锁！

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I/O Buffering

核心思想：在内存中建立I/O缓冲区

• 缓存从输入设备流入内存的数据
• 缓存从内存流向输出设备的数据

Single Buffer (单缓冲区)

• 可见，相对于没有使用I/O缓冲区的情形，引入单I/0缓冲区后，用户进程的运行效率得到了提高。
• 然而，如果用户进程在对有关数据进行加工处理时并不释放I/0缓冲区，那么用户进程的性能并不能得到改善。

Doublie Buffer(双缓冲区)

• 使用双I/0缓冲区，即使用户进程在对有关数据进行加工处理时不释放相关的I/0缓冲区，用户进程的性能也能得到改善。
• 与单I/0缓冲区类似，如果T远远大于C，即外部设备的I/0速度比用户进程的计算速度慢得多，那么即使引入双I/0缓冲区，用户进程的性能也几乎没有得到改善。
• 缓和外部设备的I/0速度与用户进程的计算速度不匹配的一种有效的办法是,在外部设备和用户进程之间设立多个I/0缓冲区。

Circular Buffer(循环缓冲区)

Disk Cache（磁盘缓存）

不是一种硬件设施，是内存中设置的一种缓冲区。

工作原理

• 当用户进程请求从磁盘读入一个扇区时，系统首先在disk cache中寻找该扇区的副本。
  ① 如果能够找到，那么系统将从disk cache中取出该扇区的副本并返给用户进程;
  ②否则，系统首先从磁盘上读入该扇区并在disk cache中为其建立一个副本，然后将该副本返给用户进程。
• 当用户进程请求向磁盘上写出一个扇区时，系统同样首先在disk cache中寻找该扇区的副本
  ①如果能够找到，那么系统将根据用户进程的请求修改该扇区的副本;
  ②否则，系统同样首先从磁盘上读入该扇区并在disk cache中为其建立一个副本，然后根据用户进程的请求修改该副本。

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Wirte through （写穿透技术）

设计问答

• 当用户进程请求从磁盘上读入一个扇区时,如果系统能够在disk cache中找到该扇区的副本，那么系统如何把该副本提交给用户进程?

如果系统不允许用户进程访问disk cache ，那么系统将把用户进程需要的扇区从dlisk cache中复制到用户进程的工作区。

如果系统允许用户进程访问disk cache ，那么系统将把用户进程需要的扇区副本在diskcache中的位置指针传递给用户进程。

• 当系统需要从磁盘上读入一个扇区并在diskcache中为其建立一个副本时，如果disk cache没有空闲空间，那么系统使用何种策略从diskcache中选择一个被置换扇区?

① LRU置换算法
The block that has been in the cache the longestwith no reference to it is replaced.

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The cache consists of a stack of blocks.Most recently referenced block is on thetop of the stack.
缓存由一堆块组成，大多数最近引用的块位于堆栈的顶部。
When a block is referenced or broughtinto the cache, it is placed on the top ofthe stack.
当一个块被引用或显示到缓存中时，它被放置在堆栈的顶部。

②LFU置换算法（频率）
Least Frequently Used (LFU置换算法)-The block that has experienced the fewestreferences is replaced.

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A counter is associated with each block.·Counter is incremented each time blockaccessed.
计数器与每个块相关联。·计数器每次访问块时递增。

Block with smallest count is selected forreplacement.
选择具有最小计数的块进行替换。

Some blocks may be referenced manytimes in a short period of time and thennot needed any more.
一些块可能在短时间内被多次引用，因此不再需要。

SPOOLing 技术