CSAPP 系统级 IO 笔记

Unix I/O

所有的 I/O 设备（例如网络、磁盘和终端）都被模型化为文件，而所有的输入和输出都被当作相应文件的读和写来执行。这种将设备优雅地映射为文件的方式，允许 Linux 内核引出一个简单、低级的应用接口，称为 Unix I/O，这使得所有的输入和输出都能以一种统一且一致的方式来执行。

文件

硬盘 => chs => 盘块 => 文件

文件：建立字符流（序列）到盘块集合的映射关系，由操作系统维护这个映射关系。

FCB 以块号为单位，会不会太大，比如单个位的编辑？

inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。

Unix/Linux系统中，目录（directory）也是一种文件。打开目录，实际上就是打开目录文件。

目录文件的结构非常简单，就是一系列目录项（dirent）的列表。每个目录项，由两部分组成：所包含文件的文件名，以及该文件名对应的inode号码。

文件系统：一种用于持久性存储的系统抽象。

文件：文件系统中一个单元的相关数据在操作系统中的抽象。

文件系统提供了按名存取功能，使用户能透明地访问文件。

文件分类：

• 目录文件：用于保存文件目录的文件
• 普通文件
• 设备文件

这里引出了交换区和文件区。

文件区主要用于存放文件，追求存储空间的利用率，因此对文件区空间的管理采用离散分配方式；

交换区只占磁盘空间的小部分，被换出的进程数据就存放在这里，追求换入换出的速度，因此对交换区采用连续分配方式。

虚拟文件系统

目的：对所有不同文件系统的抽象

文件系统主要功能：

• 文件的按名存取
• 文件目录的建立和维护
• 文件的组织
• 文件存储空间的管理
• 提供各种操作文件的方法

逻辑结构

流式文件

有序的字符流，内部无结构划分

记录式文件

文件内的数据被划分为具有逻辑完整性的单元，每个单元称作一条记录，每条记录可以包含若干个数据项。（CSV

物理结构

连续

• 为文件分配的必须是连续的盘块
• 顺序存取速度快，可以随机访问
• 会产生碎片，不利于文件扩展

链接

• 用链表的形式把盘块串起来
• 可以解决碎片问题，外存利用率高，扩展性高
• 只能顺序访问，不能随机访问

索引

• 为文件数据块建立索引表，非连续存储分配，提高了空间的利用率
• 支持随机访问，易扩展
• 索引表本身占空间，访问数据块前需要读取索引块，增加了检索的开销

目录

文件系统通过文件的物理结构和目录文件实现按名存取功能。

FCB

描述信息

• 文件名
• 文件的逻辑结构信息
• 文件的物理结构信息

管理信息

• 存取控制信息，包括读、写、执行
• 使用信息，包括创建、修改、访问文件的时间

inode

包含文件的元信息（无文件的名称）：

• 文件字节数
• 文件拥有者的 User ID
• 文件的 Group id
• 文件的读、写、执行权限
• 文件的时间戳：ctime 指 inode 上一次变动的时间，mtime 指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上次被打开的时间
• 链接数，即有多少文件名只想这个 inode
• 文件数据 block 的位置

每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件，系统内部不使用文件名。

对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。

表面上，用户通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；其次，通过inode号码，获取inode信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

目录结构

文件存储空间管理

主要就是空闲区管理

成组链接法

结构

分配、回收算法

空闲表法

空闲链表法

空闲盘块链

空闲盘区链

位示图法

共享

类型

• 基于索引结点（硬链接） 计数器为0才真正删除文件
• 基于符号链（软链接）

共享方法

• 绕道法
• 链接法
• 基本文件目录法

保护采用保护键法。

安全性

文件保护

• 口令保护
• 加密保护
• 访问控制 用一个访问控制表（ACL）记录各个用户（或各组用户）对文件的访问权限

保密安全策略分为 MAC（强制访问策略，安全性更高）、DAC（自主访问策略，更加灵活）

设备管理

主机对设备的访问表现为使用基本的端口通讯指令（in、out）与这组 IO 地址通讯。

设备相关层

• 设备驱动程序
• 中断处理程序

设备无关层

设备独立性：操作系统提供了物理设备到逻辑设备的抽象，用户或程序中使用的设备与具体的设备无关，不再需要关注设备的细节，方便用户使用。

I/O 控制

CPU 无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为 CPU 和 I/O 设备机械部件之间的“中介”，用于实现 CPU 对设备的控制。这个电子部件就是 I/O 控制器，又称设备控制器，CPU 可控制 I/O 控制器，又由 I/O 控制器来控制设备的机械部件。

I/O 控制器功能点：

• 接受和识别CPU发出的指令（要有控制寄存器）
• 向CPU报告设备的状态（要有状态寄存器）
• 数据交换（要有数据寄存器，暂存输入、输出的数据）
• 地址识别（由I/O逻辑实现）

两种寄存器编制方式

• 内存映射
  • 控制器中的寄存器与内存统一控制
  • 可以采用对内存进行操作的指令对控制器进行操作
• 寄存器独立编制
  • 需要专门的指令来操作控制器

目标：减少 CPU 等待时间、减轻 CPU 负担、提高系统并行性

程序查询

进程提出 IO 请求并获得设备后，IO 子程序将不断循环检测设备的状态，直到设备能够满足 IO 操作的要求时实施传输动作。

设备《=》CPU《=》内存

中断

与异常的关系？

1.进程提出 IO 请求并获得设备后，若设备未就绪，则阻塞进程。

2.当设备进入就绪状态时，发出中断信号，已在系统中注册的中断处理函数唤醒进程以启动一个传输动作，而后再阻塞进程直到设备再次就绪。

设备《=》CPU《=》内存

DMA

1.进程提出 IO 请求并获得设备后，将数据（或接收缓冲区）安置在内存中的位置和大小写入 DMA 控制器的寄存器内，启动 DMA 过程并阻塞进程。

2.DMA 控制器控制指定内存区域同设备之间的数据交换。其间需要使用总线时，总线控制权将供DMA使用（硬件机制）。

3.当原进程请求的IO操作全部完成时，DMA 控制器发出中断，中断处理程序唤醒进程。

DMA 中两个主要寄存器：

• 基址寄存器，指示当前读或写的内存地址
• 计数寄存器，表示传输数据的字节数

数据的传送单位是“块”。

设备《=》内存

通道

在DMA方式的基础上，通道方式中使用通道处理器替代DMA控制器来实施传输动作。

通道处理器是一个简单的专用处理器，具有自身的指令系统，可按程序完成传输动作。这使得通道处理器较只能进行单纯传输动作的DMA控制器具有更强大的功能，例如传输纠错、数据格式转换、数据预处理 等。

对于系统中的每一个通道，内存中有两个固定的专用存储单元分别存储通道程序的首地址（CAW通道地址字）和状态信息（CSW通道状态字）。

数据的传送单位是“一组数据块”

通道方式的运作过程：

➢ 进程提出IO请求并获得设备后，根据所要求的IO操作，生成由通道指令组成的通道程序，并将程序首地址写入CAW中。然后启动通道并阻塞进程。

➢ 通道处理器从CAW中找到通道程序，并按通道程序的指令完成数据传输过程。每条指令执行之后都将通道状态写入CSW中，使得主机能够随时掌握通道运行情况。

➢ 若通道程序执行中出现错误，通道处理器将发出错误中断，交由中断处理程序处理错误；若通道程序顺利执行完毕也将发出完成中断，由中断处理程序唤醒原进程。

I/O 缓冲

缓冲技术一般应用于两种速度不一致的部件之间的协作。一般形式是以缓冲区来暂时存放需要交换的信息。

• 保证正确性：避免部件间速度不一致造成的信息缺失
• 缓解 CPU 与设备的速度矛盾
• 减少对 CPU 的中断频率
• 解决数据粒度不匹配问题
• 提高 CPU 与 I/O 设备之间的并行性

使用缓冲技术的输出（Write）的一般过程：

1. 用户提出Write请求后，缓冲管理模块检查进程是否已取得相应的输出缓冲区，若已取得，则使用此缓冲区，否则申请一个空缓冲区，将其更改为该进程对该设备的输出缓冲区（可能阻塞原进程）。
2. 缓冲管理模块使用访存指令将数据写入缓冲区内。
3. 其间若达到一定的缓冲条件，则缓冲管理模块启动上层驱动程序，将整个缓冲区内的数据写入设备（冲洗，可能阻塞原进程），之后再继续步骤2，直到数据写入完成。

使用缓冲技术的输入（Read）的一般过程：

1. 用户提出Read请求后，缓冲管理模块检查进程是否已取得相应的输入缓冲区，若已取得，则使用此缓冲区，否则申请一个空缓冲区，将其更改为该进程对该设备的输入缓冲区（可能阻塞原进程）。
2. 缓冲管理模块使用访存指令从缓冲区内读出数据。
3. 其间若缓冲区为空，则缓冲管理模块启动上层驱动程序，从设备读出数据到缓冲区（可能阻塞原进程），直至达到一定的缓冲条件后再继续步骤2，直到数据读出完成。

磁盘

一次磁盘读/写操作需要的时间 = 寻道时间（大头） + 旋转延迟时间 + 传输时间

减少延迟时间方法：

• 交替编号
• 错位命名
• 磁盘地址结构的设计

驱动调度：

• 移臂调度
• 旋转调度

调度算法：

• 先来先服务（FCFS）
• 最短寻找时间优先（SSTF） 优先调度附近磁道。磁头在一个小区域内来来回回移动，可能产生饥饿
• 扫描算法（SCAN） 为了杜绝上面的饥饿现象，加了点限定，只有磁头移动到最外侧了才能调头
• 电梯算法 再扫描算法上又加了点限定，不用完全到磁道尽头，一旦反方向有请求，可直接响应
• 循环扫描算法（C-SCAN） 从内到外，依次响应距离磁头最近的操作，到最外层柱面后立即回到最内柱面，继续之前的操作

存储空间管理数据结构：

• 位示图
• 空闲块表
• 空闲块链表

磁盘管理：

• 磁盘初始化
• 引导块
• 坏块的管理

I/O 重定向

标准 I/O

创建进程时，会打开三个文件，其文件描述符为 0、1、2，分别表示标准输入、标准输出以及标准错误流。