C327536B80D25CE79C33DC5901307461慕课视频播放-操作系统-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

下面我们来讨论磁盘缓存

磁盘缓存是放在内存里的

磁盘数据的缓存

那这些缓存呢是为了避免

对同一块磁盘扇区里的内容

进行反复引用时候的多次磁盘访问

我们先说什么是缓存

缓存实际上是数据传输过程当中

双方速度差异比较大的时候

我在中间为了匹配速度

引入的一个中间层

我们这里磁盘缓存呢

就是把磁盘扇区的内容

在内存当中做一个缓存区

如果内存里有

我就可以直接用内存里的缓存数据了

在这儿我们可以看到这种做法

和我们前面讲的虚拟存储很类似

虚拟存储是用磁盘空间

来存内存里存不下的这些数据

而现在这个磁盘缓存是倒过来

所以从这个角度来讲呢

它们俩有很多地方是相似的

但是它们也有很多地方是不一样的

比如说内存和磁盘缓存

磁盘的访问频度呢

它是要远低于虚拟存储的访问频率的

由于访问频率比较低

这个算法我就会做的

比虚拟存储会复杂

磁盘缓存的置换算法到底怎么来做

也就是说我到底该

把哪些磁盘块的内容在内存里做缓存

哪些不做

在具体讨论

一种磁盘缓存置换算法之前

我们先讨论一下单缓存和双缓存

这里单缓存和双缓存呢

指的是这个缓存区

到底是一个还是两个

首先我们来看单缓存

它的做法是什么呢

设了一个缓存区

然后有两头

一头是CPU 一头是设备

设备往这缓存区里写数据的时候呢

由于我只有单缓存

这时候CPU这头呢是不能操作的

等CPU这一头能够从缓存区里

读数据的时候

设备这一头是不能往里写的

大家还记得吗

我们前面讨论到的生产者消费者问题

就是跟这儿是很类似的

由于在这里我任何一个时刻

只有一个可以对这个缓存区进行操作

它的速度就很受限制

如果说你两边交互频繁的话

那这时候就有我们这里的双缓存

它是设置两个缓存区

在一个缓存区

由一头在进行操作的时候

比如说这里头I/O设备

往缓存区1里头写数据

那么这时候缓存区2呢

就可以由CPU来从里读数据

这两个是可以同时进行的

因为它俩在不同的缓存区里头

一旦是我写完了这回也读空了

它两头做一个切换

我们两头又都可以继续进行了

这样的话它的交换速度就会更快

有了这个讨论之后我们来看

磁盘缓存的访问频率置换算法

在这里设计这个算法

要解决的问题是在于

在磁盘访问的时候

我有可能访问某一个扇区里的数据

我频繁的访问

这个频繁的访问如果说我们用LFU的话

那这个计数就会很快速的增加到很大

这时候你再往后用LFU它就不能反映

当前你进行引用的真实情况

我怎么来做呢

它的思路是这样

对于密集访问的这一段

我不对它进行引用计数

基本上说起来就是

在短周期之内我用LRU

在长周期里我用LFU

这样的话我就可以在短周期里头

靠特殊的栈的处理

来描述我的访问顺序

然后在长的时间尺度里

我用LFU来进行访问次数的计数

具体怎么做呢我们来看

这是访问频率置换算法的示意图

首先这是LRU里的那个特殊的栈

这是栈底这是栈顶

和前面的LRU不同的地方是在于

我把这个栈分成了三段

第一段叫新区域

第二段叫中间区域

然后第三段叫旧区域

分三段的目的呢

是为了这三段我做不同的处理

具体这种不同的处理在什么地方呢

每一次访问的时候

访问某一块数据块

那我把这一块放到这个栈顶

这是LRU的要求

然后我又附着上两个

如果说你这个引用的这一块

是在新区域里头

它往前移的时候

它的计数是不变的

这就是我们真正的LRU

如果说不是在这新区域里头

是在中间区域或者是旧区域里头

那么引用的时候

不但挪过去并且把计数要加一

那么这样一来我们就可以实现

在新区域里头不加一

避免了你这密集访问所带来的

引用计数的快速增加

而在中间区域和旧区域里头我加一

那这是我们LFU的要求

有了这两个之后呢

我新加入的这些块

我直接把它放到栈顶

这是LRU的要求

并且把它引用计数置为1

然后说我淘汰的时候怎么办呢

原来淘汰说我在这里栈底的

现在它是在旧区域里去找计数最小的

这是LFU的要求

但是和LFU的区别是在于

我不在整个栈里去找计数最小的

有可能这个密集访问

和中间这种新加进来的它的计数很小

这样一来的话就定义这个中间区域

就是为了避免

我的计数刚进来用了没多长时间

它正是我们频繁要使用的

但是由于计数比较小

你把它置换出去的这种情况

我只是在旧区域里头

我才按照计数大小来选

使得这个中间区域呢

变成是一个过渡的

有了这样一种做法之后

我们就把原来在虚拟存储里的算法

改造成一个更复杂

可以用来做磁盘缓存置换算法的

这个访问频率置换算法

这是磁盘缓存置换算法

那到这儿我们就讲完了

I/O子系统里的磁盘缓存

我们把刚才讲过的内容总结一下

我们在这节课里呢

首先对I/O访问的特征进行了一个介绍

我们有多种不同的设备

然后这些设备的访问方式呢

各有各的特点

针对块设备字符设备

和网络设备这三种不同情况

我们进行不同的处理

然后数据传输我们可以分成

轮询方式中断方式 DMA方式

这几种方式

是我们在I/O子系统里常用的

然后接下来我们介绍了

我们常用的一种设备

磁盘设备里头的优化

这里面优化又分成两个

一个是我对I/O请求

到底我哪个先去访问

这是磁盘调度讨论的问题

第二个是磁盘缓存

我把磁盘上的数据

哪些放到内存里做缓存

也给了一个算法

I/O设备有很多种

其它各种各样的设备

也有针对各自的特点进行的一些优化

只是由于时间的缘故

我们在这儿没有做深入的讨论了

那到这个地方呢

我们这学期的课就讲完了

好谢谢大家

我们这节课就上到这里下课

操作系统课程列表：

第零讲在线教学环境准备

-0.1 Piazza讨论区

--piazza访问和使用

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-0.2 在线实验平台

-0.2在线实验平台

第一讲操作系统概述

-1.1 课程概述

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-第一讲操作系统概述--练习

-1.2 教学安排

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-1.3 什么是操作系统

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-1.4 为什么学习操作系统，如何学习操作系统

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-1.5 操作系统实例

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-1.7 操作系统结构

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第二讲实验零操作系统实验环境准备

-2.1 前言和国内外现状

-2.2 OS实验目标

-2.3 8个OS实验概述

-2.4 实验环境搭建

-2.5 x86-32硬件介绍

-2.6 ucore部分编程技巧

-2.7 演示实验操作过程

--Q6

--Q7

--Q10

第三讲启动、中断、异常和系统调用

-3.1 BIOS

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-3.2 系统启动流程

--3.2 系统启动流程

-3.3 中断、异常和系统调用比较

--3.3 中断、异常和系统调用比较

-第三讲启动、中断、异常和系统调用--3.3 中断、异常和系统调用比较

-3.4 系统调用

--3.4 系统调用

-第三讲启动、中断、异常和系统调用--3.4 系统调用

-3.5 系统调用示例

--3.5 系统调用示例

-3.6 ucore+系统调用代码

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第四讲实验一 bootloader启动ucore os

-4.1 启动顺序

-4.2 C函数调用的实现

-4.3 GCC内联汇编

-4.4 x86中断处理过程

-4.5 练习一

-4.6 练习二

-4.7 练习三

-4.8 练习四练习五

-4.9 练习六

第五讲物理内存管理: 连续内存分配

-5.1 计算机体系结构和内存层次

-5.2 地址空间和地址生成

-5.3 连续内存分配

-5.4 碎片整理

-5.5 伙伴系统

-第五讲物理内存管理: 连续内存分配--5.6 练习

第六讲物理内存管理: 非连续内存分配

-6.1 非连续内存分配的需求背景

-6.2 段式存储管理

-6.3 页式存储管理

-6.4 页表概述

-6.5 快表和多级页表

-6.6 反置页表

-6.7 段页式存储管理

-第六讲物理内存管理: 非连续内存分配--6.8 练习

第七讲实验二物理内存管理

-7.1 了解x86保护模式中的特权级

--7.1 了解x86保护模式中的特权级

-第七讲实验二物理内存管理--7.1 了解x86保护模式中的特权级

-7.2 了解特权级切换过程

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-7.3 了解段/页表

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-7.4 了解UCORE建立段/页表

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-第七讲实验二物理内存管理--7.4 了解UCORE建立段/页表

-7.5 演示lab2实验环节

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第八讲虚拟存储概念

-8.1 虚拟存储的需求背景

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-8.3 局部性原理

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-8.5 虚拟页式存储

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第九讲页面置换算法

-9.1 页面置换算法的概念

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-9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法

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-第九讲页面置换算法--9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法

-9.3 时钟置换算法和最不常用算法

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-9.4 Belady现象和局部置换算法比较

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-9.6 缺页率置换算法

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--9.7 抖动和负载控制

第十讲实验三虚拟内存管理

-10.1 实验目标：虚存管理

--10.1 实验目标：虚存管理

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.1 实验目标：虚存管理

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-- 10.2 回顾历史和了解当下

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.2 回顾历史和了解当下

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--10.3 处理流程、关键数据结构和功能

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.3 处理流程、关键数据结构和功能

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--10.4 页访问异常

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-10.5 页换入换出机制

--10.5 页换入换出机制

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第十一讲进程和线程

-11.1 进程的概念

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-第十一讲进程和线程--11.2 进程控制块

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-11.4 三状态进程模型

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-11.8 内核线程

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第十二讲进程控制

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-12.2 进程创建

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-12.4 进程等待与退出

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第十三讲实验四内核线程管理

-13.1 总体介绍

-13.2 关键数据结构

-13.3 执行流程

-13.4 实际操作

第十四讲实验五用户进程管理

-14.1 总体介绍

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-14.2 进程的内存布局

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-14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现

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-14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现

--14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现

-14.5 进程复制

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-14.6 内存管理的copy-on-write机制

--14.6 内存管理的copy-on-write机制

第十五讲处理机调度

-15.1 处理机调度概念

--15.1 处理机调度概念

-第十五讲处理机调度--15.1 处理机调度概念

-15.2 调度准则

--15.2 调度准则

-15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

-第十五讲处理机调度--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

-15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架

--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架

-第十五讲处理机调度--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和uc

-15.5 实时调度和多处理器调度

--15.5 实时调度和多处理器调度

-第十五讲处理机调度--15.5 实时调度和多处理器调度

-15.6 优先级反置

--15.6 优先级反置

-第十五讲处理机调度--15.6 优先级反置

第十六讲实验六调度器

-16.1 总体介绍和调度过程

-16.2 调度算法支撑框架

-16.3 时间片轮转调度算法

-16.4 Stride调度算法

第十七讲同步互斥

-17.1 背景

--17.1 背景

-17.2 现实生活中的同步问题

--17.2 现实生活中的同步问题

-第十七讲同步互斥--17.2 现实生活中的同步问题

-17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

-第十七讲同步互斥--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

-17.4 基于软件的同步方法

--17.4 基于软件的同步方法

-第十七讲同步互斥--17.4 基于软件的同步方法

-17.5 高级抽象的同步方法

--17.5 高级抽象的同步方法

-第十七讲同步互斥--17.5 高级抽象的同步方法

第十八讲信号量与管程

-18.1 信号量

--18.1 信号量

-第十八讲信号量与管程--18.1 信号量

-18.2 信号量使用

--18.2 信号量使用

-第十八讲信号量与管程--18.2 信号量使用

-18.3 管程

--18.3 管程

-第十八讲信号量与管程--18.3 管程

-18.4 哲学家就餐问题

--18.4 哲学家就餐问题

-18.5 读者-写者问题

--18.5 读者-写者问题

第十九讲实验七同步互斥

-19.1 总体介绍

--19.1 总体介绍

-19.2 底层支撑

--19.2 底层支撑

-第十九讲实验七同步互斥--19.2 底层支撑

-19.3 信号量设计实现

--19.3 信号量设计实现

-第十九讲实验七同步互斥--19.3 信号量设计实现

-19.4 管程和条件变量设计实现

--19.4 管程和条件变量设计实现

-第十九讲实验七同步互斥--19.4 管程和条件变量设计实现

-19.5 哲学家就餐问题

--19.5 哲学家就餐问题

第二十讲死锁和进程通信

-20.1 死锁概念

--20.1 死锁概念

-第二十讲死锁和进程通信--20.1 死锁概念

-20.2 死锁处理方法

--20.2 死锁处理方法

-第二十讲死锁和进程通信--20.2 死锁处理方法

-20.3 银行家算法

--20.3 银行家算法

-第二十讲死锁和进程通信--20.3 银行家算法

-20.4 死锁检测

--20.4 死锁检测

-第二十讲死锁和进程通信--20.4 死锁检测

-20.5 进程通信概念

--20.5 进程通信概念

-第二十讲死锁和进程通信--20.5 进程通信概念

-20.6 信号和管道

--20.6 信号和管道

-第二十讲死锁和进程通信--20.6 信号和管道

-20.7 消息队列和共享内存

--20.7 消息队列和共享内存

-第二十讲死锁和进程通信--20.7 消息队列和共享内存

第二十一讲文件系统

-21.1 文件系统和文件

--21.1 文件系统和文件

-第二十一讲文件系统--21.1 文件系统和文件

-21.2 文件描述符

--21.2 文件描述符

-第二十一讲文件系统--21.2 文件描述符

-21.3 目录、文件别名和文件系统种类

--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-第二十一讲文件系统--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-21.4 虚拟文件系统

--21.4 虚拟文件系统

-第二十一讲文件系统--21.4 虚拟文件系统

-21.5 文件缓存和打开文件

--21.5 文件缓存和打开文件

-第二十一讲文件系统--21.5 文件缓存和打开文件

-21.6 文件分配

--21.6 文件分配

-第二十一讲文件系统--21.6 文件分配

-21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

-第二十一讲文件系统--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

第二十二讲实验八文件系统

-22.1 总体介绍

--22.1 总体介绍

-第二十二讲实验八文件系统--22.1 总体介绍

-22.2 ucore 文件系统架构

--22.2 ucore 文件系统架构

-第二十二讲实验八文件系统--22.2 ucore 文件系统架构

-22.3 Simple File System分析

--22.3 Simple File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.3 Simple File System分析

-22.4 Virtual File System分析

--22.4 Virtual File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.4 Virtual File System分

-22.5 I/O设备接口分析

--22.5 I/O设备接口分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.5 I/O设备接口分析

-22.6 执行流程分析

--22.6 执行流程分析

第二十三讲 I/O子系统

-23.1 I/O特点

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-第二十三讲 I/O子系统--23.1 I/O特点

-23.2 I/O结构

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-第二十三讲 I/O子系统--23.2 I/O结构

-23.3 I/O数据传输

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-第二十三讲 I/O子系统--23.3 I/O数据传输

-23.4 磁盘调度

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-第二十三讲 I/O子系统--23.4 磁盘调度

-23.5 磁盘缓存

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-第二十三讲 I/O子系统--23.5 磁盘缓存

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