UNIX操作系统中的块设备控制结构与缓冲管理

"本课件详细介绍了UNIX操作系统中的块型设备控制结构，包括设备管理、缓冲与缓存机制，特别是块型设备缓冲的结构和操作。" 在UNIX操作系统中，设备管理是操作系统内核的重要组成部分，它负责协调和控制硬件设备的使用。设备分为块设备和字符设备，这里主要讨论的是块设备。打开一个设备文件意味着申请使用相应的设备，如果设备已被其他进程占用，则当前进程会被阻塞等待。相反，关闭设备文件则会释放设备资源，如果有等待的进程，系统会唤醒它们。 块型设备的I/O操作通常涉及磁盘、磁带等存储设备，这些设备的数据传输是以块为单位进行的，通常每个块的大小为512字节。为了提高效率，UNIX引入了缓冲技术，每个块型设备都有一个缓冲区，缓冲区的数量固定为15个。这样的设计可以减少对物理设备的直接访问，提高I/O操作的并行性，并降低系统开销。 `struct buf` 结构体代表了块型设备的缓冲区，包含了缓冲的状态标志、在设备链和可用链中的指针、设备标识、传输字节数、内存地址、物理块号、错误信息以及剩余待传输字节数等信息。这个结构体是块设备I/O的核心，通过`bread`和`bwrite`等函数进行读写操作。 `struct devtab` 是块型设备控制结构，它维护了设备的繁忙状态、错误计数以及I/O队列的头尾指针。`d_active` 表示设备是否忙碌，`d_erncnt` 记录设备的错误次数，`b_forw` 和 `b_back` 指向设备关联的缓冲区链表，而 `d_actf` 和 `d_actl` 分别指向I/O操作队列的头部和尾部。 对于字符型设备，它们通常有自己的缓冲策略，如使用`struct cblock`表示的缓冲池，包含一个指向下一个缓冲区的指针和信息容器。字符设备的读写操作可能更灵活，可以支持预读（readahead）和延迟写（delayed write），以优化连续数据的访问和减少不必要的磁盘操作。 预读机制是为了预测用户可能接下来要访问的数据，提前从设备读取，以减少后续的I/O延迟。而延迟写则是将数据暂存于内存，等到满足一定条件（如缓冲区满或用户显式调用flush操作）时才一次性写入设备，以提高整体性能。 总结来说，UNIX操作系统通过精心设计的设备控制结构和缓冲策略，有效地管理块型设备的I/O操作，提升了系统效率和用户体验。理解这些概念对于深入学习操作系统原理和进行系统级编程至关重要。