[系统运维]操作系统 | Project_I/O subsystem

一、目的

??1、熟悉类UNIX系统的I/O设备管理
??2、熟悉MINIX块设备驱动
??3、熟悉MINIX RAM盘

二、内容与设计思想

?? · 在Minix3中安装一块x MB大小的RAM盘，可以挂载并且存取文件操作。
?? · 编写测试文件，测试不同块大小下、不同块扫描方式（顺序/随机）RAM盘和Disk盘的文件读写速度并分析其读写速度差异原因。

三、使用环境

??物理机：Windows10
??虚拟机：Minix3
??虚拟机软件：Vmware
??终端控制软件：MobaXterm
??物理机与虚拟机文件传输：FileZilla

四、实验过程

(1）在Minix3中安装一块RAM盘

?? · 修改/usr/src/minix/drivers/storage/memory/memory.c，增加默认的用户RAM盘数。重新编译内核，重启虚拟机。

/* ramdisks (/dev/ram*) */
#define RAMDISKS     7

?? · 创建设备mknod /dev/myram b 1 13，并输入ls /dev/ | grep ram查看设备是否创建成功。

?? · 参考/usr/src/minix/commands/ramdisk/ramdisk.c，实现buildmyram.c容量初始化工具，将单位从KB修改为MB。同时，在同一目录下的Makefile文件中添加相应条目。重新编译内核，重启虚拟机。

#define KFACTOR 1048576

PROG=   ramdisk
PROG=   buildmyram

?? · 执行命令 buildmyram /dev/myram，创建一个RAM盘。

?? · 在RAM盘上创建内存文件系统，mkfs.mfs /dev/myram。
?? · 将RAM盘挂载到用户目录下，mount /dev/myram /root/myram，输入df查看是否挂载成功。

??注意：重启后用户自定义的RAM盘内容会丢失，因此每次重启后都需要重新设置大小，创建文件系统并挂载。

（2）编写测试代码

?? · 主函数实现思路：
??分别调用相应函数测试在顺序和随机两种块扫描方式下，RAM盘和Disk盘多个进程并发读写不同大小块的时间，并计算平均读写速度。
?? - 为每个进程分配独立的文件
?? - wait(NULL)函数等待所有子进程读写结束再记录结束时间
?? - 经测试，进程并发度在7~10之间吞吐量达到最大，基于此在实验中可以修改并发度大小来获得良好的实验数据

for(int blocksize=64;blocksize<=1024*32;blocksize=blocksize*2){
            int Concurrency=7;
            gettimeofday(&starttime, NULL);
            for(int i=0;i<Concurrency;i++){
                if(fork()==0){
                //随机写
                //write_file(blocksize,true,filepathDisk[i]);
                //write_file(blocksize,true,filepathRam[i]);
                
                //顺序写
                //write_file(blocksize,false,filepathDisk[i]);
                //rite_file(blocksize,false,filepathRam[i]);
                
                //随机读
                read_file(blocksize,true,filepathDisk[i]);
                //read_file(blocksize,true,filepathRam[i]);
                
                //顺序读
                //read_file(blocksize,false,filepathDisk[i]);
                //read_file(blocksize,false,filepathRam[i]);
                exit(0);
                }
            }
            //等待所有子进程结束
            //wait失败返回-1
            while(wait(NULL)!=-1);
            gettimeofday(&endtime, NULL);
            spendtime=get_time_left(starttime,endtime)/1000.0;//换算成秒
            int block=blocksize*Concurrency*times;
            printf("blocksize_KB=%.4fKB,speed=%fMB/s\n",(double)blocksize/1024.0,(double)block/spendtime/1024.0/1024.0);
    }

?? · write_file & read_file函数实现思路：
??通过多次重复的读写操作来计算RAM盘/Disk的读写速度。
?? - 若为随机读写，则每次读写结束后利用lseek(fp,rand()%(filesize-blocksize),SEEK_SET)函数定位到文件任意位置。
?? - 为了减小主机操作系统的缓存机制造成的误差，将文件大小filesize设置为300MB
??注意：对(filesize-blocksize)取余，防止写出文件

//blocksize表示写的块大小
//isrand=true表示随机写，否则为顺序写
//filepath为文件写的路径
void write_file(int blocksize, bool isrand, char *filepath){
    int fp=open(filepath,O_RDWR|O_CREAT|O_SYNC,0755);
    if(fp==-1) printf("open file error!\n");
    int res;
    //多次重复写入计算时间
    for(int i=0;i<times;i++){
        if((res=write(fp,buff,blocksize))!=blocksize){
            printf("%d\n",res);
            printf("write file error!\n");
        }
        if(isrand){
            //随机生成一个整数 取余定位到文件中任意位置
            //对（filesize-blocksize）取余，防止写出文件
            lseek(fp,rand()%(filesize-blocksize),SEEK_SET);
        }
    }
    lseek(fp,0,SEEK_SET);
}

void read_file(int blocksize,bool isrand,char *filepath){
    int fp=open(filepath,O_RDWR|O_CREAT|O_SYNC,0755);
    if(fp==-1) printf("open file error!\n");
    int res;
    for(int i=0;i<times;i++){
        if((res=read(fp,readbuff,blocksize))!=blocksize){
            printf("%d\n",res);
            printf("read file error!\n");
        }
        if(isrand){
            lseek(fp,rand()%(filesize-blocksize),SEEK_SET);
        }
    }
    lseek(fp,0,SEEK_SET);
}

?? · get_time_left函数实现思路：
??利用测试得到的starttime和endtime计算读写所耗费的时间。

long get_time_left(struct timeval starttime,struct timeval endtime){
    long spendtime;
         //换算成毫秒
    spendtime=(long)(endtime.tv_sec-starttime.tv_sec)*1000+(endtime.tv_usec-starttime.tv_usec)/1000;
    return spendtime;
}

五、实验结果

（1）实验数据表

??注：读写速率的单位：MB/s

（2）实验数据图

（3）实验结果分析

??总体来看，写的速率比读的速率慢，随机读写的速率比顺序读写的速率慢，尤其是磁盘两种快扫描方式的速率差异更加明显。究其原因在于磁盘读写时，机械寻道是影响磁盘读写速率的主要因素，随机读写每次都需要重新寻道，而顺序读写只需要在第一次进行寻道，因此两种方式的读写速率差别很大。
??对比Disk盘和RAM盘，RAM盘的读写速率普遍快于Disk盘，特别是随机读写性能。由于RAM盘为内存分配的一块区域，因此没有寻道和旋转延迟，所以RAM的读写速率优于Disk。但对Disk进行一次读后，其内容会被缓存，之后再次读Disk上的数据，其效率有所提高。

完整代码与测试文件： https://github.com/RachelllYe/OSProject
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