數(shù)據(jù)緩沖區(qū)高速緩沖

緩沖頭部

一個(gè)緩沖區(qū)有兩部分組成：一個(gè)含有磁盤(pán)上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)組和一個(gè)標(biāo)識(shí)該緩

沖區(qū)的緩沖頭部。

一個(gè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)與文件系統(tǒng)上一個(gè)邏輯磁盤(pán)塊中的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，并且通過(guò)

考察緩沖頭部中的標(biāo)識(shí)字段來(lái)識(shí)別緩沖區(qū)內(nèi)容。緩沖區(qū)是磁盤(pán)塊在主存中的拷貝，

磁盤(pán)塊的內(nèi)容映射到緩沖區(qū)中。但是同一時(shí)刻，一個(gè)磁盤(pán)塊不能映射到多個(gè)緩沖

區(qū)中。

設(shè)備號(hào)字段和塊號(hào)字段指明了文件系統(tǒng)和磁盤(pán)上數(shù)據(jù)的塊號(hào)，唯一地標(biāo)識(shí)了

該緩沖區(qū)。設(shè)備號(hào)是邏輯文件系統(tǒng)號(hào)，不是物理設(shè)備號(hào)。緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)部分必須

大于等于磁盤(pán)塊的大小。

緩沖區(qū)的狀態(tài)是有下列條件的組合：

1）緩沖區(qū)當(dāng)前為“上鎖”（忙）

2）緩沖區(qū)包含有效數(shù)據(jù)

3）內(nèi)核把某緩沖區(qū)重新分配出去之前必須把該緩沖區(qū)內(nèi)容寫(xiě)到磁盤(pán)上（延遲寫(xiě)）

4）內(nèi)核當(dāng)前正從磁盤(pán)往緩沖區(qū)讀信息或把緩沖區(qū)的內(nèi)容寫(xiě)到磁盤(pán)上

5）一個(gè)進(jìn)程當(dāng)前正在等候緩沖區(qū)變?yōu)殚e。

緩沖池

內(nèi)核按照最近最少使用算法把數(shù)據(jù)緩存于緩沖池中，內(nèi)核維護(hù)一個(gè)緩沖區(qū)的

空閑表（雙向鏈表），它保存最近被使用的次序。離空閑表最近的緩沖區(qū)比離空

閑表頭遠(yuǎn)的緩沖區(qū)是最近最少使用的。

散列隊(duì)列

內(nèi)核把緩沖區(qū)組織成一個(gè)個(gè)隊(duì)列，這些隊(duì)列是按照設(shè)備號(hào)和塊號(hào)散列的。內(nèi)

核把一個(gè)散列隊(duì)列上的緩沖區(qū)鏈接成一個(gè)個(gè)類(lèi)似空閑表結(jié)構(gòu)的雙向鏈接循環(huán)表，

內(nèi)核使用的散列函數(shù)也是簡(jiǎn)單的，這樣保證性能。

一個(gè)緩沖區(qū)必須在散列隊(duì)列里面，也可以在空閑表中。

緩沖區(qū)的檢索

若果一個(gè)進(jìn)程想要都一個(gè)文件中的數(shù)據(jù)，則內(nèi)核需要判定數(shù)據(jù)在哪個(gè)文件系統(tǒng)

的哪個(gè)塊上。當(dāng)要從一個(gè)特定的磁盤(pán)上讀取數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核檢測(cè)數(shù)據(jù)是否在緩沖區(qū)上，

若是在就直接可以從緩沖區(qū)上讀取數(shù)據(jù)；否則，分一個(gè)空閑緩沖區(qū)。

讀寫(xiě)磁盤(pán)塊--算法getblk

內(nèi)核給緩沖區(qū)分配磁盤(pán)塊時(shí)，可能出現(xiàn)五種情況：

1）內(nèi)核在散列隊(duì)列找到該塊，并且它的緩沖區(qū)是空閑的

2）內(nèi)核在散列隊(duì)列中找不到該塊，因此，從空閑表中分配一個(gè)緩沖區(qū)

3）內(nèi)核在散列隊(duì)列中找不到該塊，試圖從空閑表中分配一個(gè)緩沖區(qū)的時(shí)候，

在空閑表中找到一個(gè)已經(jīng)表上“延遲寫(xiě)”標(biāo)記的緩沖區(qū)。內(nèi)核必須該緩沖區(qū)的

內(nèi)容寫(xiě)到磁盤(pán)上，并分配另外一個(gè)緩沖區(qū)。

4）內(nèi)核在散列隊(duì)列中找不到該塊，并且空閑表已空。

5）內(nèi)核在散列隊(duì)列中找到該塊，但是它的緩沖區(qū)為忙。

算法：getblk 輸入：文件系統(tǒng)號(hào) 塊號(hào) 輸出：現(xiàn)在能被磁盤(pán)塊使用的上了鎖的緩沖區(qū) {while(沒(méi)有找到緩沖區(qū)){if(塊在散列隊(duì)列中){if(塊忙){/*第5種情況*/sleep(等待“緩沖區(qū)變?yōu)榭臻e”事件);continue;}為緩沖區(qū)標(biāo)記上“忙”；從空閑表中摘下緩沖區(qū)；return (緩沖區(qū))；}else{if(空閑表中沒(méi)有緩沖區(qū)){/*第4種情況*/sleep(等待“任何緩沖區(qū)變?yōu)榭臻e”事件);continue;}從空閑表中摘下緩沖區(qū)；if(緩沖區(qū)標(biāo)記著延遲寫(xiě)){/*第3種情況*/把緩沖區(qū)異步寫(xiě)到磁盤(pán)上；continue;}從舊散列隊(duì)列中摘下緩沖區(qū)；把緩沖區(qū)投入新散列隊(duì)列；return (緩沖區(qū));}} }

釋放緩沖區(qū)算法brelse

算法：brelse 輸入：上鎖態(tài)的緩沖區(qū) 輸出：無(wú) {喚醒正在等待緩沖區(qū)變?yōu)榭臻e的所有進(jìn)程；喚醒正在等待任何緩沖區(qū)變?yōu)榭臻e的所有進(jìn)程；提高處理機(jī)執(zhí)行級(jí)以封鎖中斷；if(緩沖區(qū)所有內(nèi)容有效且緩沖區(qū)非舊)將緩沖區(qū)送入空閑表尾部else將緩沖區(qū)送入空閑表頭部降低處理機(jī)執(zhí)行級(jí)以允許中斷；給緩沖區(qū)解鎖；}

情況1：內(nèi)核搜索塊4的實(shí)例圖

? ? ? ?圖--在散列隊(duì)列上搜索塊4

? ? ? ? 圖--從空閑表上摘下第4塊

情況2：從緩沖區(qū)上找第21塊

圖--在緩沖區(qū)上搜索第21塊

圖--從空閑表中摘下第一個(gè)緩沖區(qū)，分配給第21塊

重新給該塊的緩沖區(qū)安置在相應(yīng)的散列隊(duì)列里面。

情況3：內(nèi)核必須從空閑表中分配到一個(gè)緩沖區(qū)。

從空閑表中摘下的緩沖區(qū)已經(jīng)被標(biāo)上“延遲寫(xiě)”，因此，它必須在使用該緩沖區(qū)之前，

將緩沖區(qū)的內(nèi)容寫(xiě)到磁盤(pán)上。內(nèi)核開(kāi)始了一個(gè)異步寫(xiě)，并且試圖從空閑表上分配到

另外一個(gè)緩沖區(qū)。當(dāng)異步寫(xiě)完成時(shí)，內(nèi)核把該緩沖區(qū)釋放，并把它放到空閑表的首部。

? ? ? ? 圖-- 搜索第21塊，空閑表上頭兩個(gè)緩沖區(qū)標(biāo)記著延遲寫(xiě)

圖--寫(xiě)第3塊、第5塊，把第4塊的緩沖區(qū)分配該第21塊

情況4：散列隊(duì)列找不到該塊，并且空閑表為空

進(jìn)程A進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到有另外一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行算法brelse，釋放一個(gè)緩沖區(qū)。當(dāng)內(nèi)核

調(diào)度到進(jìn)程A時(shí)，它必須重新為該塊重新搜索散列隊(duì)列，此舉保證僅有一個(gè)緩沖區(qū)包含

該塊。

情況5：進(jìn)程B等待進(jìn)程A正在使用的塊（忙），進(jìn)程B將進(jìn)入睡眠狀態(tài)

進(jìn)程A執(zhí)行算法brelse，釋放該緩沖區(qū)，這時(shí)將喚醒”緩沖區(qū)變?yōu)榭臻e“上睡眠的所

有進(jìn)程，包括進(jìn)程B。當(dāng)內(nèi)核調(diào)度到進(jìn)程B執(zhí)行時(shí)，進(jìn)程B需要再次搜索該磁盤(pán)塊。

總結(jié)

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