Менеджер ввода-вывода

В подсистеме ввода-вывода наряду с модулями, отражающими специфику внешних устройств и образующими вертикальные подсистемы, существуют модули универсального назначения. Эти модули организуют согласованную работу всех остальных компонентов подсистемы ввода-вывода и взаимодействие с пользовательскими процессами и другими подсистемами ОС. Так же как и функции управления устройствами, эти организующие функции распределены по всем уровням, образуя оболочку. Эта оболочка иногда называется менеджером ввода-вывода. Задачи такого менеджера довольно разнообразны.

Верхний слой менеджера составляют системные вызовы ввода-вывода, которые принимают от пользовательских процессов запросы на ввод-вывод и переадресуют их отвечающим за определенный класс устройств модулям и драйверам, а также возвращают процессам результаты операций ввода-вывода. Таким образом этот слой поддерживает пользовательский интерфейс ввода-вывода, создавая для прикладных программистов максимум удобств по манипулированию внешними устройствами и расположенными на них данными.

Нижний слой менеджера реализует непосредственное взаимодействие с контроллерами внешних устройств, экранируя драйверы от особенностей аппаратной платформы компьютера — шины ввода-вывода, системы прерываний и т. п. Этот слой принимает от драйверов запросы на обмен данными с регистрами контроллеров в некоторой обобщенной форме с использованием независимых от шины ввода-вывода адресации и формата, а затем преобразует эти запросы в зависящий от аппаратной платформы формат. Диспетчер прерываний, рассмотренный выше, может входить в состав менеджера ввода-вывода или же представлять собой отдельный модуль ядра. В последнем случае менеджер ввода-вывода выполняет для диспетчера прерываний первичную обработку запросов прерываний, передавая диспетчеру обобщенные сведения об источнике запроса.

Важной функцией менеджера ввода-вывода является создание некоторой среды для остальных компонентов подсистемы, которая бы облегчала их взаимодействие друг с другом. Эта задача может быть решена за счет создания некоторого стандартного внутреннего интерфейса взаимодействия модулей ввода-вывода между собой, который бы дополнял внешние интерфейсы подсистемы с прикладными процессами, другими модулями ядра и аппаратурой. Наличие такого интерфейса существенно облегчает включение новых драйверов и файловых систем в состав ОС. Кроме того, разработчики драйверов и других программных компонентов освобождаются от написания общих процедур, таких как буферизация данных и синхронизация нескольких модулей между собой при обмене данными. Все эти функции берет на себя менеджер ввода-вывода.

Еще одной функцией менеджера ввода-вывода является организация взаимодействия модулей ввода-вывода с модулями других подсистем ОС, таких как подсистема управления процессами, виртуальной памятью и другими.

Стратегии организации ввода-вывода:

1. Блокируемый I/O - после вызова read/write происходит блокировка до завершения операции, функция завершается только после принятия или передачи блока данных.

2. Неблокируемый I/0 - функция завершается сразу, если данные не были приняты/отправлены возвращается код ошибки (т.е. нужно вызывать функции I/O в цикле пока не получим положительный результат).

3. Мультиплексирование через select/poll - опрашиваем список состояния сокетов, перебирая состояния определяем сокеты готовые для приема/передачи. Главный минус - затраты на перебор, особенно при большом числе неактивных сокетов.

   • select - число контролируемых сокетов ограничено лимитом FD_SETSIZE, в некоторых случаях лимит обходится пересборкой программы, в других - пересборкой ядра ОС.

   • poll - нет лимита FD_SETSIZE, но менее эффективен из за большего размера передаваемой в ядро структуры.

4. Генерация сигнала SIGIO при изменении состояния сокета (ошибка, есть данные для приема, или отправка завершена), который обрабатывает обработчик SIGIO. В классическом виде применение ограничено и трудоемко, подходит больше для UDP.

5. Асинхронный I/O - описан в POSIX 1003.1b (aio_open, aio_write, aio_read...), функция aio_* завершается мгновенно, далее процесс сигнализируется о полном завершении операции ввода/вывода (в предыдущих пунктах процесс информировался о готовности прочитать или передать данные, т.е. данные еще нужно было принять или отправить через read/write, в aio_* процесс сигнализируется когда данные полностью получены и скопированы в локальный буфер).

6. Передача данных об изменении состояния сокета через генерацию событий. (специфичные для определенных ОС решения, малопереносимы, но эффективны).

   • kqueue - лучшее для FreeBSD, NetBSD. Данные о нескольких событиях могут быть переданы за раз, очень гибкое решение.

   • /dev/epoll - лучшее для 2.6 Linux ядра, передача нескольких событий за раз, трудоемкость поддержки /dev/epoll если параллельно в программе поддерживаются другие механизмы нотификации.

   • Realtime Signals (F_SETSIG) - лучшее для 2.4 Linux ядра.

   • /dev/poll - имеет смысл в Solaris, в Linux реализация недостаточно хороша.