Операционные системы 5 (стр. 10 из 43)
В результате постоянного перемещения использованных блоков в конец списка буферов этот список оказывается отсортированным по возрастанию времени последнего обращения. В начале списка оказывается тот буфер, к данным которого дольше всего не было обращений. Он-то нам и нужен как кандидат на вытеснение.
На рис. 2‑3 показан массив буферов, связанный в список.
Рис. 2‑3
Теперь о «грязных» буферах. В каких случаях должна выполняться их «очистка», т.е. запись блока данных из кэш-буфера на диск? Можно назвать три таких случая.
· Выбор блока для вытеснения из кэша.
· Закрытие файла, к которому относятся «грязные» блоки. Общепринято, что при закрытии файла должно выполняться его сохранение на диске.
· Операция принудительной очистки всех буферов либо только буферов, относящихся к определенному файлу. Подобная операция может выполняться для повышения надежности хранения данных, как страховка от возможных сбоев. В ОС UNIX, например, очистка всех буферов традиционно выполняется каждые 30 с.
Следует признать, что кэширование операций записи на диск, в отличие от кэширования чтения, всегда создает определенную опасность потери данных. В случае случайного сбоя системы, отключения питания и т.п. может оказаться, что важная информация, которую следовало записать на диск, застряла в грязных буферах кэша и была поэтому потеряна.[3] Это неизбежная плата за значительное повышение производительности системы. Программы, требующие высокой надежности работы с данными (например, банковские программы), обычно записывают данные прямо на диск. При этом кэш либо не используется вообще, либо в кэш-буфер заносится копия данных, которая может пригодиться при последующих операциях чтения.
«Узким местом» кэширования дисков является поиск требуемого блока данных в кэше. Как было описано выше, для этого система просматривает заголовки буферов. Если кэш состоит из нескольких сотен буферов, время поиска будет ощутимо. Один из возможных приемов ускорения поиска, используемый в UNIX, показан на рис. 2‑4.
Рис. 2‑4
В UNIX каждый кэш-буфер может входить одновременно в два линейных списка. Один из них, называемый «списком свободных блоков», это знакомый нам LRU-список, используемый для определения блока, подлежащего вытеснению. Слово «свободный» не значит «пустой»; в данном случае это слово означает блок, не занятый в текущий момент в операции чтения/записи, выполняемой каким-нибудь процессом. Другой список называется «хеш-цепочкой» и используется для ускорения поиска нужного блока.
При записи в буфер данных, соответствующих некоторому блоку диска, номер хеш-цепочки, в которую будет помещен этот буфер, определяется как остаток от деления номера блока на N – количество хеш-цепочек. Для наглядности на рисунке принято значение N = 10. Таким образом, блоки с номерами 120, 40, 90 попадают в цепочку 0, блоки 91, 1, 71 – в цепочку 1 и т.д. Когда система ищет в кэше блок с определенным номером, она прежде всего по номеру блока определяет, в какой из хеш-цепочек этот блок должен находиться. Если блока нет в этой цепочке, то его вообще нет в кэше. Таким способом удается сократить поиск в лучшем случае в N раз (это если все цепочки окажутся одинаковой длины).
Перемещение буфера из одной хеш-цепочки в другую, как и его перемещение в конец списка свободных блоков, не требует перезаписи всего блока данных в памяти и выполняется путем изменения ссылок в заголовках блоков.
Еще одна особенность кэширования дисков в UNIX состоит в том, что при обнаружении в начале списка свободных блоков «грязных» буферов система запускает процессы их очистки, но не дожидается завершения этих процессов, а выбирает для вытеснения первый по списку чистый блок. После завершения очистки блоки возвращаются в начало списка свободных блоков, оставаясь первыми кандидатами на вытеснение.
В том случае, если обработка данных ведется последовательным образом (от начала файла к концу), кэширование не дает значительного эффекта. После того, как обработаны данные из одного блока, дальнейшее пребывание этого блока в кэш-буфере бесполезно. Значительно более полезной в этом случае может оказаться другая специальная форма буферизации, известная как опережающее чтение. Она заключается в том, что при обращении к некоторому блоку диска система, выполнив чтение требуемого блока, считывает затем еще несколько следующих за ним блоков. Если аппаратура позволяет выполнять операцию чтения одновременно с обработкой ранее прочитанных данных, то велика вероятность, что к моменту, когда следующий блок данных будет запрошен для обработки, этот блок уже окажется прочитанным.
Как правило, системе неизвестно, будет ли обработка файла вестись в режиме последовательного или произвольного доступа, поэтому часто используется та или иная комбинация кэширования с опережающим чтением. В Windows программа, открывающая файл, может указать системе, для какого способа доступа желательно оптимизировать механизм буферизации.
Идея опережающего чтения получила интересное развитие в WindowsXP. В этой системе введен механизм опережающей загрузки данных (prefetch), который основан на автоматическом сборе и хранении статистики о том, какие файлы и каталоги используются в ходе загрузки ОС и при запуске конкретных приложений, а также какие данные читаются из этих файлов в первые минуты работы. При последующих загрузках ОС и запусках приложений система выполняет ожидаемые операции чтения еще до того, как они будут в действительности запрошены загружаемыми компонентами ОС или приложением. При этом система планирует порядок операций таким образом, чтобы сократить перемещения читающих головок и тем самым ускорить загрузку данных.
2.7. Драйверы устройств
Драйвер устройства – это системная программа, которая под управлением ОС выполняет все операции с конкретным периферийным устройством. Драйвер является как бы посредником между ОС и устройством. Перед драйверами стоят две одинаково важные, но трудно совместимые задачи:
· обеспечить возможность стандартного обращения к любому устройству, скрывая от остальных частей ОС специфические особенности отдельных устройств;
· добиться максимально эффективного использования всех функциональных возможностей и особенностей конкретных устройств.
Возможность стандартными средствами работать с разными устройствами очень желательна с точки зрения архитектуры ОС и удобства программирования. Было бы крайне противно, если бы при написании прикладной программы нужно было заранее учитывать, какая модель принтера будет использоваться для выдачи результатов. Наоборот, в большинстве случаев прикладной программист даже не должен знать, будет ли это принтер или плоттер-графопостроитель, или же результаты будут отображаться на экране. Большие проблемы могли бы возникнуть и при замене одной модели принтера, диска, монитора на другую, если бы такая замена потребовала переписывать заново все программы, работающие с этим устройством. Другое дело, если все особенности устройства учитываются в одном-единственном месте, а именно – в драйвере этого устройства.
Разумеется, полностью скрыть все различия между устройствами невозможно. Никаким образом нельзя приравнять, скажем, диск к клавиатуре, и даже разные типы дисков похожи, но не совсем. Например, для дискет можно выполнить такую операцию, как проверка смены носителя (фактически при этом проверяется, открывался ли карман дисковода). Для жестких дисков эта операция не имеет смысла.
В большинстве ОС различаются, как минимум, два разных типа драйверов: для символьных и для блочных устройств.
Обращаясь к драйверу, ОС указывает функцию, которую требуется выполнить. Список этих функций общий для драйверов различных устройств, при этом каждый драйвер может реализовать только те функции, которые имеют смысл для данного устройства. Наиболее общими являются функции чтения данных, записи данных, инициализации устройства (эта функция вызывается системой один раз, сразу после загрузки), открытия и закрытия устройства (используются, когда символьное устройство открывается как файл). Для блочных устройств имеют смысл функции форматирования, поиска сектора. Для символьных устройств ввода – функция «неразрушающего ввода», т.е. проверки очередного символа без его изъятия из входного потока.
Для того, чтобы учесть все разнообразие возможных операций, в число функций драйвера вводят такую, как «выполнение специальных функций», и здесь уже для каждого устройства определен свой набор этих специальных функций.
Типичный драйвер устройства содержит, как минимум, три основных блока:
· заголовок драйвера;
· блок стратегии;
· блок прерываний.
Заголовок содержит различную информацию о данном драйвере и об управляемом устройстве. Сюда может включаться имя устройства, тип устройства, число однотипных устройств, обслуживаемых одним драйвером, объем памяти на устройстве и т.п. Заголовок содержит также адреса блока стратегии и блока прерываний.
В обязанность блока стратегии входит прием заявок на выполнение операции, ведение очереди заявок (в многозадачных системах, а также при асинхронных операциях, выполнения могут дожидаться несколько заявок), а также запуск операции и ее завершение.