内存映射文件

传统的文件 I/O 是通过用户进程发布 read( )write( )系统调用来传输数据的。为了在内核空间的文件系统页与用户空间的内存区之间移动数据,一次以上的拷贝操作几乎总是免不了的。这是因为,在文件系统页与用户缓冲区之间往往没有一一对应关系。但是,还有一种大多数操作系统都支持的特殊类型的 I/O 操作,允许用户进程最大限度地利用面向页的系统 I/O 特性,并完全摒弃缓冲区拷贝。这就是内存映射 I/O.内存映射 I/O 使用文件系统建立从用户空间直到可用文件系统页的虚拟内存映射。这样做有几个好处:

用户进程把文件数据当作内存,所以无需发布 read( )write( )系统调用。
当用户进程碰触到映射内存空间,页错误会自动产生,从而将文件数据从磁盘读进内存。如果用户修改了映射内存空间,相关页会自动标记为脏,随后刷新到磁盘,文件得到更新。
操作系统的虚拟内存子系统会对页进行智能高速缓存,自动根据系统负载进行内存管理。
数据总是按页对齐的,无需执行缓冲区拷贝。
大型文件使用映射,无需耗费大量内存,即可进行数据拷贝。
虚拟内存和磁盘 I/O 是紧密关联的,从很多方面看来,它们只是同一件事物的两面。在处理大量数据时,尤其要记得这一点。如果数据缓冲区是按页对齐的,且大小是内建页大小的倍数,那么,对大多数操作系统而言,其处理效率会大幅提升。


文件锁定

文件锁定机制允许一个进程阻止其他进程存取某文件,或限制其存取方式。通常的用途是控制共享信息的更新方式,或用于事务隔离。在控制多个实体并行访问共同资源方面,文件锁定是必不可少的。数据库等复杂应用严重信赖于文件锁定。
文件锁定从字面上看有锁定整个文件的意思(通常的确是那样),但锁定往往可以发生在更为细微的层面,锁定区域往往可以细致到单个字节。锁定与特定文件相关,开始于文件的某个特定字节地址,包含特定数量的连续字节。这对于协调多个进程互不影响地访问文件不同区域,是至关重要的。
文件锁定有两种方式:共享的和独占的。多个共享锁可同时对同一文件区域发生作用;独占锁则不同,它要求相关区域不能有其他锁定在起作用。
共享锁和独占锁的经典应用,是控制最初用于读取的共享文件的更新。某个进程要读取文件,会先取得该文件或该文件部分区域的共享锁。第二个希望读取相同文件区域的进程也会请求共享锁。两个进程可以并行读取,互不影响。但是,假如有第三个进程要更新该文件,它会请求独占锁。该进程会处于阻滞状态,直到既有锁定(共享的、独占的)全部解除。一旦给予独占锁,其他共享锁的读取进程会处于阻滞状态,直到独占锁解除。这样,更新进程可以更改文件,而其他读取进程不会因为文件的更改得到前后不一致的结果。

文件锁有建议使用和强制使用之分。建议型文件锁会向提出请求的进程提供当前锁定信息,但操作系统并不要求一定这样做,而是由相关进程进行协调并关注锁定信息。多数 Unix 和类 Unix 作系统使用建议型锁,有些也使用强制型锁或兼而有之。强制型锁由操作系统或文件系统强行实施,不管进程对锁的存在知道与否,都会阻止其对文件锁定区域的访问。微软的操作系统往往使用的是强制型锁。假定所有文件锁均为建议型,并在访问共同资源的各个应用程序间使用一致的文件锁定,是明智之举,也是唯一可行的跨平台策略。依赖于强制文件锁定的应用程序,从根子上讲就是不可移植的。


I/O

并非所有 I/O 都像前几节讲的是面向块的,也有流 I/O,其原理模仿了通道。 I/O 字节流必须顺序存取,常见的例子有 TTY(控制台)设备、打印机端口和网络连接。
流的传输一般(也不必然如此)比块设备慢,经常用于间歇性输入。多数操作系统允许把流置于非块模式,这样,进程可以查看流上是否有输入,即便当时没有也不影响它干别的。这样一种能力使得进程可以在有输入的时候进行处理, 输入流闲置的时候执行其他功能。比非块模式再进一步,就是就绪性选择。就绪性选择与非块模式类似(常常就是建立在非块模式之上),但是把查看流是否就绪的任务交给了操作系统。操作系统受命查看一系列流,并提醒进程哪些流已经就绪。这样,仅仅凭借操作系统返回的就绪信息,进程就可以使用相同代码和单一线程,实现多活动流的多路传输。这一技术广泛用于网络服务器领域,用来处理数量庞大的网络连接。就绪性选择在大容量缩放方面是必不可少的。