04 linux011缓冲区

Posted 2022-12-14 资质平庸的程序员

1 缓冲区位置

+-------------+========+------------+-------------+
| OS routines | BUFFER | [RAM-DISK] | MAIN_MEMORY |
+-------------+========+------------+-------------+
0x0           end      4Mb                        16Mb

end 是操作系统内核程序内存段结束位置。linux0.11 引导程序为操作系统程序最大预留了512Kb 内存，可以将 512Kb 即 0x80000 作为 end 的参考值。

根据实模式内存分布, 缓冲区需除去内存段[0x9ffff, 0xfffff]

 0x00000|----------------------------------|
        |            1KB RAM               |
        | Bios Interrupt vector table etc. |
 0x003FF|==================================|
        |                                  |
        |                                  |<-- end
        |             639KB                |
        |         RAM addr space           |
        |                                  |
        |                                  |
 0x9FFFF|==================================|
        |                                  |
        |              128K                |
        |    video card ram addr space     |
 0xBFFFF|==================================|
        |                                  |
        |             256KB                |
        |      BIOS ROM addr space         |
        |                                  |
        |                                  |
 0xFFFFF|==================================|
        |               .                  |
        |               .                  |
0x400000|               .                  |<-- 4Mb

即内存段[end, 0x400000)就是 linux0.11 设定缓冲区了。

2 缓冲区块

缓冲区被以缓冲区块为单位进行管理，每块大小为1024字节即1Kib.

+-------------+----+-------------+
| buffer unit |... | buffer unit |
+-------------+----+-------------+
0                  x

3 缓冲区管理

[1] linux0.11 使用双向循环链表以1Kb为单位管理缓冲区;
[2] 为提高对缓冲区块访问的效率，使用 hash 表进一步管理缓冲区。
dev(设备号) ^ block(逻辑块号）相同者将使用同一个链表管理的缓冲区块，如

0x301 ^ 0x000 = 0x301  0x302 ^ 0x000 = 0x302  ...
0x301 ^ 0x001 = 0x300  0x302 ^ 0x001 = 0x303  ...
0x301 ^ 0x002 = 0x303  0x302 ^ 0x002 = 0x300  ...
0x301 ^ 0x003 = 0x302  0x302 ^ 0x003 = 0x301  ...
0x301 ^ 0x004 = 0x305  0x302 ^ 0x004 = 0x306  ...
0x301 ^ 0x005 = 0x304  0x302 ^ 0x005 = 0x307  ...
0x301 ^ 0x006 = 0x307  0x302 ^ 0x006 = 0x304  ...
0x301 ^ 0x007 = 0x306  0x302 ^ 0x007 = 0x305  ...
0x301 ^ 0x008 = 0x309  0x302 ^ 0x008 = 0x30a  ...
0x301 ^ 0x009 = 0x308  0x302 ^ 0x009 = 0x30b  ...
0x301 ^ 0x00a = 0x30b  0x302 ^ 0x00a = 0x308  ...

可以看出，设备号为0x301上的逻辑块1与设备号为0x302上的逻辑块2将使用同一个hash值标识的循环链表（所管理的缓冲区块，若无则全局搜索并添加），而不用全局搜索缓冲区块。

读写诸如磁盘之类外设时都会借助于缓冲区：根据欲访问的设备和逻辑块号，获取空闲的缓冲区块，以缓冲区块大小为单位从磁盘读取数据到缓冲区操作，操作完毕后再同步到磁盘中（如释放，进程结束，读写完毕还未释放又被其它进程征用）。

当无缓冲区块可供当前进程使用时，则设置该进程进入睡眠状态并主动切换其他进程运行以释放缓冲区块（linux 0.11内核不抢占），待该进程被唤醒且被调度时再继续运行。