操作系统中的内核 I/O 子系统
内核提供许多与 I/O 相关的服务。诸如调度、缓存、假脱机、设备预留和错误处理等服务是由构建在硬件和设备驱动程序基础设施上的内核 I/O 子系统提供的。I/O 子系统还负责保护自己免受异常进程和恶意用户的侵害。
I/O 调度：
安排一组 I/O 请求意味着确定执行它们的好顺序。应用程序发出系统调用的顺序是最好的选择。调度可以提高系统的整体性能，可以公平地共享设备访问权限给所有进程，并减少 I/O 完成的平均等待时间、响应时间和周转时间。 操作系统开发者通过维护每个设备的请求等待队列来实现调度。当应用程序发出阻塞 I/O 系统调用时，该请求被放置在该设备的队列中。I/O 调度器重新排列顺序以提高系统的效率。
缓冲：
缓冲区是存储在两个设备之间或设备与应用程序之间传输的数据的内存区域。缓冲有三个原因。
- 第一个是应对数据流的生产者和消费者之间的速度不匹配问题。
- 缓冲的第二个用途是为具有不同数据传输大小的数据提供适配。
- 缓冲的第三个用途是支持应用程序 I/O 的“复制语义”，“复制语义”意味着，假设应用程序想要将数据写入磁盘，该数据存储在其缓冲区中。它调用**write()**系统的调用，提供指向缓冲区的指针和指定要写入的字节数的整数。
缓存：
缓存是一块快速存储区域，它保存数据的副本。访问缓存副本比原始文件容易得多。例如，当前运行进程的指令存储在磁盘上，缓存在物理内存中，然后再次复制到 CPU 的二级和一级缓存中。 缓冲区和缓存之间的主要区别在于，缓冲区可能只持有数据项的现有副本，而缓存则按定义保存在其他地方的数据项的快速存储副本。
假脱机和设备预留：
假脱机是持有设备输出的缓冲区，例如无法接受交叉数据流的打印机。尽管打印机一次只能处理一个作业，但可能有多个应用程序希望同时打印它们的输出，而不让它们的输出混合在一起。 操作系统通过阻止所有输出继续发送到打印机来解决这个问题。所有应用程序的输出都被假脱机到一个单独的磁盘文件中。当应用程序完成打印后，假脱机系统将相应的假脱机文件排队输出到打印机。
错误处理：
使用受保护内存的操作系统可以防范许多类型的硬件和应用程序错误，因此每次小的机械故障通常不会导致整个系统故障，设备和 I/O 传输可能会以多种方式失败，无论是由于瞬态原因，如网络过载，还是由于永久性原因，如磁盘控制器出现故障。
错误处理策略：确保强大的错误处理是内核 I/O 子系统的关键方面，以维护操作系统的稳定性和可靠性。内核 I/O 子系统采用的错误处理策略包括检测、报告和从 I/O 错误中恢复的机制。以下是内核 I/O 子系统内部错误处理策略的关键组成部分：
错误检测机制：内核 I/O 子系统纳入了各种机制，以及时发现 I/O 错误。
错误报告：一旦检测到错误，内核 I/O 子系统采用机制将错误报告给操作系统的更高层次或用户应用程序。
错误恢复机制：从 I/O 错误中恢复对于维护系统稳定性至关重要。
用户通知：及时通知用户或管理员关于 I/O 错误对于及时干预和系统维护至关重要：
- 用户警报：通过用户界面或系统通知向用户提供警报，可以立即引起对潜在问题的关注。
- 自动化通知：实施自动化通知系统，如电子邮件或消息，通知系统管理员有关关键错误，以实现主动系统管理。
I/O 保护：
错误和保护问题密切相关。用户进程可能尝试发出非法 I/O 指令，以破坏系统的正常功能。我们可以使用各种机制确保此类破坏不会在系统中发生。 为了防止非法 I/O 访问，我们定义所有 I/O 指令为特权指令。用户不能直接发出 I/O 指令。
操作系统中的内核 I/O 子系统
操作系统（OS）是一个复杂的软件程序，管理计算机系统的硬件和软件资源。操作系统的关键组件之一是内核 I/O 子系统，它提供操作系统和输入/输出（I/O）设备之间的接口。内核 I/O 子系统管理用户应用程序发出的 I/O 请求，并将它们转换为设备可以理解的硬件命令。在本文中，我们将讨论内核 I/O 子系统的重要性及其优缺点。
内核 I/O 子系统的重要性
内核 I/O 子系统是任何现代操作系统的重要组成部分。它为 I/O 设备提供统一且一致的接口，使用户应用程序无需了解底层硬件的细节即可访问它们。内核 I/O 子系统还管理多个应用程序同时尝试访问同一设备时出现的并发和同步问题。
内核 I/O 子系统的优点
- 设备独立性： 内核 I/O 子系统为用户提供了设备独立性。它抽象了硬件细节并为设备提供了统一的接口。这意味着应用程序开发者可以编写与硬件平台无关的代码，而内核 I/O 子系统则负责硬件特定的细节。
- 高效的资源管理： 内核 I/O 子系统为 I/O 设备提供高效的资源管理。它管理 I/O 请求并安排它们以优化可用资源的使用。这确保了 I/O 设备不会被过度使用，系统保持响应性。
- 并发管理： 内核 I/O 子系统管理多个应用程序同时尝试访问同一设备时出现的并发问题。它确保应用程序在需要时获得设备的独占访问权，并在适当时允许多个应用程序共享设备。
内核 I/O 子系统的缺点
- 复杂的实现： 内核 I/O 子系统是一个复杂的软件组件，需要大量资源来实现和维护。内核 I/O 子系统的任何问题都可能影响整个系统的性能和稳定性。
- 安全风险： 如果内核 I/O 子系统没有正确实现，它可能对系统构成安全风险。攻击者可以利用内核 I/O 子系统的漏洞未经授权访问系统或造成拒绝服务攻击。
内核提供的功能和服务：
- 进程管理： 保存被中断程序的上下文，调度进程，操作调度列表。
- 进程通信： 发送和接收进程间消息。
- 内存管理： 设置内存保护信息，交换-入/交换-出，处理页面错误。
- I/O 管理： 初始化 I/O，处理 I/O 完成中断，从 I/O 错误中恢复。
- 文件管理： 打开文件，读写数据。
- 安全和保护： 为新用户添加认证信息，维护文件保护信息。
- 网络管理： 通过消息发送/接收数据。
结论
总之，内核 I/O 子系统是任何现代操作系统的重要组成部分。它为 I/O 设备提供设备独立性、高效的资源管理和并发管理。然而，它需要大量资源来实现和维护，内核 I/O 子系统的任何问题都可能影响整个系统的性能和稳定性。因此，正确实现和维护内核 I/O 子系统对于确保系统的安全性和可靠性至关重要。