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UNIX 운영체제의 설계
Chapter 3. Buffer Cache
2009. 08. 08
진현목
경희대학교
Contents
Ⅰ
정의 및 버퍼 헤더
Ⅱ
버퍼풀의 구조
Ⅲ
버퍼를 가져오는 시나리오
Ⅳ
디스크 블럭의 I/O
V
버퍼 캐쉬의 장∙단점
2
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
Ⅰ
정의 및 버퍼 헤더
Ⅱ
버퍼풀의 구조
Ⅲ
버퍼를 가져오는 시나리오
Ⅳ
디스크 블럭의 I/O
V
버퍼 캐쉬의 장∙단점
3
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
Buffer Cache의 정의
디스크 블록 정보를 메모리 공간에 저장해두어 작업시 응답 시간
을 줄이게 해줌
■
User Programs
User Level
Libraries
trap
Kernel
Level
System Call Interface
Process
Inter-process
communication
Control
Scheduler
File Subsystem
Buffer cache
Character
Block
Device drivers
Hardware
Level
Subsystem
Memory
management
hardware control
hardware
그림 2. 1 Block Diagram of the System Kernel
4
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.1 버퍼 헤더 (Buffer Header)
■
버퍼 : 실제 데이터 영역 + 버퍼 헤더로 구성
■
장치 번호와 블록 번호로 고유한 버퍼 식별
장치 번호
블록 번호
데이터 영역의 포인터
상태
해쉬큐의 앞 버퍼의 포인터
해쉬큐의 다음
버퍼의 포인터
프리 리스트의
앞 버퍼의 포인터
프리 리스트의
다음 버퍼의 포인터
그림 3. 1 버퍼헤더
5
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
Ⅰ
정의 및 버퍼 헤더
Ⅱ
버퍼풀의 구조
Ⅲ
버퍼를 가져오는 시나리오
Ⅳ
디스크 블럭의 I/O
V
버퍼 캐쉬의 장∙단점
6
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.2 버퍼풀의 구조
■
버퍼의 Free List
 커널은 LRU 알고리즘에 의해 버퍼들을 연결한 프리 리스트를 보관
 프리 리스트 앞부분에서 버퍼를 취하고 리스트에서 제거 후 사용한 버
퍼는 끝에 삽입
프리 리스트
헤드
앞쪽 포인터
버퍼 1
버퍼 2
뒤쪽 포인터
전
후
프리 리스트
헤드
buf n
앞쪽 포인터
버퍼 2
buf n
뒤쪽 포인터
그림 3. 2 버퍼의 프리 리스트
7
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.2 버퍼풀의 구조
■
해쉬큐의 버퍼
 버퍼의 장치번호와 블록번호를 hashing 하여 별도의 queue로 구성
해쉬큐 헤더
blkno 0 mod 4
28
4
64
blkno 1 mod 4
17
5
97
blkno 2 mod 4
98
50
10
blkno 3 mod 4
3
35
99
프리 리스트 헤더
그림 3. 3 해쉬큐의 버퍼
8
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
Ⅰ
정의 및 버퍼 헤더
Ⅱ
버퍼풀의 구조
Ⅲ
버퍼를 가져오는 시나리오
Ⅳ
디스크 블럭의 I/O
V
버퍼 캐쉬의 장∙단점
9
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.3 버퍼를 가져오는 시나리오
■
버퍼 할당 알고리즘
 getblk 알고리즘의 전형적 시나리오
• 시나리오 1
- 해쉬큐에서 그 블록을 발견하였으며 그 버퍼가 자유일 경우
• 시나리오 2
- 해쉬큐에서 그 블록을 찾지 못하여 프리 리스트로부터 버퍼를 할당
• 시나리오 3
- 시나리오 2에서 프리 리스트상의 버퍼가 지연 쓰기인 경우
• 시나리오 4
- 해쉬큐에서 그 블록을 발견하지 못하고 프리 리스트도 비어 있는 경우
• 시나리오 5
- 해쉬큐에서 그 블록을 발견하였으나 그 버퍼가 현재 사용중인 경우
10
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
시나리오 1
■
해쉬큐에서 그 블록을 발견하였으며 그 버퍼가 자유일 경우
해쉬큐 헤더
blkno 0 mod 4
blkno 1 mod 4
blkno 2 mod 4
blkno 3 mod 4
해쉬큐 헤더
28
4
64
17
5
97
98
50
10
3
35
99
프리 리스트 헤더
blkno 0 mod 4
blkno 1 mod 4
blkno 2 mod 4
blkno 3 mod 4
28
4
64
17
5
97
98
50
10
3
35
99
프리 리스트 헤더
3 -> 5 -> 4 -> 28 -> 97 -> 10
(a) 첫 해쉬큐의 블럭 4를 탐색
3 -> 5 -> 28 -> 97 -> 10
(b) 프리 리스트에서 블럭 4를 제거
그림 3. 5 해쉬큐의 버퍼를 찾는 시나리오 1
11
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
시나리오 2
■
해쉬큐에서 그 블록을 찾지 못하여 프리 리스트로부터 버퍼를 할당
해쉬큐 헤더
blkno 0 mod 4
blkno 1 mod 4
blkno 2 mod 4
blkno 3 mod 4
해쉬큐 헤더
28
4
64
17
5
97
98
50
10
3
35
99
프리 리스트 헤더
blkno 0 mod 4
blkno 1 mod 4
blkno 2 mod 4
blkno 3 mod 4
28
4
64
17
5
97
98
50
10
35
99
18
프리 리스트 헤더
3 -> 5 -> 4 -> 28 -> 97 -> 10
(a) 캐쉬에 없는 블록 18을 탐색
5 -> 4 -> 28 -> 97 -> 10
(b) 프리 리스트에서 첫 블록 제거, 18로 할당
그림 3. 7 버퍼를 할당하는 두 번째 시나리오
12
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
시나리오 3
■
시나리오 2에서 프리 리스트상의 버퍼가 지연 쓰기인 경우
해쉬큐 헤더
blkno 0 mod 4
blkno 1 mod 4
해쉬큐 헤더
28
4
64
17
5
97
blkno 0 mod 4
28
blkno 1 mod 4
17
Delay
blkno 2 mod 4
blkno 3 mod 4
프리 리스트 헤더
64
5
97
Writing
98
50
10
3
35
99
Delay
blkno 2 mod 4
blkno 3 mod 4
98
50
10
3
35
99
18
Writing
프리 리스트 헤더
3 -> 5 -> 4 -> 28 -> 97 -> 10
28 -> 97 -> 10
(a) 프리 리스트에 연기된 블럭 18을 탐색
(b) 블럭 3, 5를 쓰고 4를 18로 할당
그림 3. 7 버퍼를 할당하는 세 번째 시나리오
13
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
시나리오 4
■
해쉬큐에서 그 블록을 발견하지 못하고 프리 리스트도 비어 있는 경우
프로세스 A
해쉬큐 헤더
blkno 0 mod 4
blkno 1 mod 4
blkno 2 mod 4
프로세스 B
해쉬큐에서 블록 b를
찾을 수 없음
28
4
64
프리 리스트에 블록이 없음
Sleep
17
5
97
98
50
10
해쉬큐에서 블록 b를
찾을 수 없음
프리 리스트에 블록이 없음
Sleep
blkno 3 mod 4
3
35
99
누군가가 이 버퍼를 자유화함
프리 리스트에서 버퍼를 가져옴
프리 리스트 헤더
비어있는 프리 리스트에서
블럭 18을 탐색
그림 3. 9 버퍼를 할당하는 네 번째 시나리오
시간
블록 b에 할당
그림 3. 10 프리 블록에 대한 경쟁
14
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
시나리오 5
■
해쉬큐에서 그 블록을 발견하였으나 그 버퍼가 현재 사용중인 경우
해쉬큐 헤더
blkno 0 mod 4
blkno 1 mod 4
blkno 2 mod 4
blkno 3 mod 4
28
4
64
17
5
97
98
50
10
3
35
99
Busy
프리 리스트 헤더
Busy 블록인 블록 99를 탐색
그림 3. 5 해쉬큐의 버퍼를 찾는 다섯 번째 시나리오
15
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
시나리오 5
■
해쉬큐에서 그 블록을 발견하였으나 그 버퍼가 현재 사용중인 경우
프로세스 A
블록 b에 버퍼를 할당
버퍼를 Lock
I/O를 초기화
I/O가 끝날때까지 Sleep
프로세스 B
해쉬큐에서 블록 b를 찾음
버퍼가 Lock 되어 있음, Sleep
프로세스 C
프리 버퍼가 생길때까지
기다리면서 Sleep
(시나리오 4)
I/O가 끝남, 깨움
brelse () : 다른 것을 깨움
전에 블럭 b에 할당된
버퍼를 얻음
블럭 b’에 재할당
시간
버퍼는 block b를
가지지 않는다.
다시 탐색한다.
그림 3. 12 Locked 버퍼의 경쟁
16
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
버퍼 할당 알고리즘의 조건
■
안전성
 프로세스들이 무한 sleep 에 빠지지 않아야 함
 디스크 고장으로 CPU를 인터럽트 하지 못해 커널의 버퍼 반환 불가능
을 고려해 하드웨어 고장을 검사하고 디스크 오류를 커널에 알려야 함
■
Starvation의 고려
 버퍼가 자유화 되기를 기다리며 다음 프로세스들이 sleep 할 경우 기
다리는 프로세스들이 starvation 될 수 있음
17
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
버퍼 할당 알고리즘
■
getblk 알고리즘
입력
파일시스템번호,
블록번호
출력
블록에 사용할 수
있는 로크된 버퍼
18
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
버퍼 해방 알고리즘
■
brelse 알고리즘
 입력 : 로크된 버퍼
 출력 : 없음
19
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
Ⅰ
정의 및 버퍼 헤더
Ⅱ
버퍼풀의 구조
Ⅲ
버퍼를 가져오는 시나리오
Ⅳ
디스크 블럭의 I/O
V
버퍼 캐쉬의 장∙단점
20
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O
■
Read
 한 개의 블록만을 읽을 경우
 두 개의 블록을 순차적으로 읽을 경우
• 효율적 access를 위해 첫 번째 블록은 즉시 읽기, 두 번째 블록은 비동기 읽
기 실행
21
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
Process
(Block A)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
Process
Control
Subsystem
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
22
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
Process
Control
Subsystem
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
23
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
2. 버퍼에 있는지 확인
Process
Control
Subsystem
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
24
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
2. 버퍼에 있는지 확인
Process
Control
Subsystem
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
3. 버퍼에 있으면 불러옴
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
25
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
2. 버퍼에 없을 경우
Process
Control
Subsystem
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
26
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
2. 버퍼에 없을 경우
3. Disk Driver 불러옴
Buffer Cache
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
27
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
2. 버퍼에 없을 경우
3. Disk Driver 불러옴
Buffer Cache
4. Read 스케줄링
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
28
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
5. Process Sleep
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
2. 버퍼에 없을 경우
3. Disk Driver 불러옴
Buffer Cache
4. Read 스케줄링
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
29
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
5. Process Sleep
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
6. 버퍼에
올림
File Subsystem
2. 버퍼에 없을 경우
3. Disk Driver 불러옴
Buffer Cache
4. Read 스케줄링
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
30
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
5. Process Sleep
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
6. 버퍼에
올림
File Subsystem
2. 버퍼에 없을 경우
3. Disk Driver 불러옴
Buffer Cache
4. Read 스케줄링
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
7. CPU
인터럽트
Hardware
Level
31
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - Read
1. Block A Read 요청
Process
(Block A)
8. Process를 깨움
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
6. 버퍼에
올림
File Subsystem
2. 버퍼에 없을 경우
3. Disk Driver 불러옴
Buffer Cache
4. Read 스케줄링
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
7. CPU
인터럽트
Hardware
Level
32
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 순차적 Read
성능 향상을 위해 Block A는 동기적,
Process
Block B는 비동기적으로 읽음
(Block A +Block B)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
Process
Control
Subsystem
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
33
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 순차적 Read
1. 블록 A, B Read 요청
Process
(Block A +Block B)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
Process
Control
Subsystem
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
34
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 순차적 Read
1. 블록 A, B Read 요청
Process
(Block A +Block B)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
2. 블록 A, 동기적 Read 지시
블록 B, 비동기적 Read 지시
Process
Control
Subsystem
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
35
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 순차적 Read
1. 블록 A, B Read 요청
Process
(Block A +Block B)
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
Buffer Cache
2. 블록 A, 동기적 Read 지시
블록 B, 비동기적 Read 지시
3. 블록 A에 대한 I/O 스케줄링
블록 B에 대한 I/O 완료 여부 무시
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
36
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 순차적 Read
1. 블록 A, B Read 요청
Process
(Block A +Block B)
4. Block A에 대한 I/O
종료 기다리며 Sleep
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
Buffer Cache
User Level
2. 블록 A, 동기적 Read 지시
블록 B, 비동기적 Read 지시
3. 블록 A에 대한 I/O 스케줄링
블록 B에 대한 I/O 완료 여부 무시
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
37
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 순차적 Read
1. 블록 A, B Read 요청
5. 블록 A를
버퍼에 올림
사용 후
File Subsystem
프로세스 깨움
Buffer Cache
Process
(Block A +Block B)
4. Block A에 대한 I/O
종료 기다리며 Sleep
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
2. 블록 A, 동기적 Read 지시
블록 B, 비동기적 Read 지시
3. 블록 A에 대한 I/O 스케줄링
블록 B에 대한 I/O 완료 여부 무시
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
38
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 순차적 Read
1. 블록 A, B Read 요청
5. 블록 A를
버퍼에 올림
사용 후
File Subsystem
프로세스 깨움
Buffer Cache
Process
(Block A +Block B)
4. Block A에 대한 I/O
종료 기다리며 Sleep
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
2. 블록 A, 동기적 Read 지시
블록 B, 비동기적 Read 지시
3. 블록 A에 대한 I/O 스케줄링
블록 B에 대한 I/O 완료 여부 무시
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
6. Block B의
I/O 끝나면
CPU
인터럽트
Hardware
Level
39
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 순차적 Read
1. 블록 A, B Read 요청
5. 블록 A를
버퍼에 올림
사용 후
File Subsystem
프로세스 깨움
Buffer Cache
Process
(Block A +Block B)
System Call Interface
7. 인터럽트 핸들러는
Block B에 대한 비동기 읽기
인지 후 버퍼 방출
(lock 해제)
User Level
Kernel
Level
2. 블록 A, 동기적 Read 지시
블록 B, 비동기적 Read 지시
3. 블록 A에 대한 I/O 스케줄링
블록 B에 대한 I/O 완료 여부 무시
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
6. Block B의
I/O 끝나면
CPU
인터럽트
Hardware
Level
40
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O
■
Write
 동기적 Write
• I/O 종료를 기다림
 비동기적 Write
• 디스크에 쓰기 시작하지만 I/O 종료를 기다리지 않음
 지연쓰기
• 불필요한 I/O 방지 위해 최대한 디스크에 쓰기 지연
41
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
42
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
2. 블록 입출력 스케줄
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
43
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
3. I/O 끝나기를 기다리며 Sleep
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
2. 블록 입출력 스케줄
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
44
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
3. I/O 끝나기를 기다리며 Sleep
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
2. 블록 입출력 스케줄
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
4. 쓰기
수행
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
45
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
3. I/O 끝나기를 기다리며 Sleep
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
2. 블록 입출력 스케줄
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
4. 쓰기
수행
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
5. CPU
Hardware
Level
인터럽트
46
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
6. I/O 끝난 후 깨움
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
2. 블록 입출력 스케줄
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
4. 쓰기
수행
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
5. CPU
Hardware
Level
인터럽트
47
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
6. I/O 끝난 후 깨움
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
7.
버퍼반환
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
2. 블록 입출력 스케줄
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
4. 쓰기
수행
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
5. CPU
Hardware
Level
인터럽트
48
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 비동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
49
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 비동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
2. 쓰기
수행
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
50
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O – 비동기적 Write
사용된 버퍼 반환을 위해
디스크에 써야 할 경우
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
3.
버퍼반환
File Subsystem
1. Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
2. 쓰기
수행
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
51
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - 지연쓰기
불필요한 I/O를 피하기 위해 사용
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Buffer에 Old 라고 표기 후
Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Process
Control
Subsystem
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
Hardware Control
Hardware
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
52
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - 지연쓰기
불필요한 I/O를 피하기 위해 사용
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
File Subsystem
1. Buffer에 Old 라고 표기 후
Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
2. 다른 프로세스에서 사용하길
기대하며 최대한 쓰기 지연
I/O 스케줄 하지 않음
Hardware Control
Hardware
Process
Control
Subsystem
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
53
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - 지연쓰기
불필요한 I/O를 피하기 위해 사용
3. 다른
프로세스가
버퍼를 사용할
File Subsystem
경우 write
하지 않음
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
1. Buffer에 Old 라고 표기 후
Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
2. 다른 프로세스에서 사용하길
기대하며 최대한 쓰기 지연
I/O 스케줄 하지 않음
Hardware Control
Hardware
Process
Control
Subsystem
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
54
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - 지연쓰기
불필요한 I/O를 피하기 위해 사용
Disk Access
3. 다른
1회 절약
프로세스가
버퍼를 사용할
File Subsystem
경우 write
하지 않음
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
1. Buffer에 Old 라고 표기 후
Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
(Disk Controller)
(Disk)
2. 다른 프로세스에서 사용하길
기대하며 최대한 쓰기 지연
I/O 스케줄 하지 않음
Hardware Control
Hardware
Process
Control
Subsystem
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
55
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - 지연쓰기
불필요한 I/O를 피하기 위해 사용
3. 다른
프로세스가
버퍼를 사용할
File Subsystem
경우 write
하지 않음
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
1. Buffer에 Old 라고 표기 후
Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
4. 없을 경우
쓰기 수행
(Disk Controller)
(Disk)
2. 다른 프로세스에서 사용하길
기대하며 최대한 쓰기 지연
I/O 스케줄 하지 않음
Hardware Control
Hardware
Process
Control
Subsystem
(Interrupt Handler)
(CPU)
Hardware
Level
56
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - 지연쓰기
불필요한 I/O를 피하기 위해 사용
3. 다른
프로세스가
버퍼를 사용할
File Subsystem
경우 write
하지 않음
Process
User Level
Kernel
Level
System Call Interface
1. Buffer에 Old 라고 표기 후
Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
4. 없을 경우
쓰기 수행
(Disk Controller)
(Disk)
2. 다른 프로세스에서 사용하길
기대하며 최대한 쓰기 지연
I/O 스케줄 하지 않음
Hardware Control
Hardware
Process
Control
Subsystem
(Interrupt Handler)
(CPU)
5. 버퍼
반환을 위해
CPU
Hardware
인터럽트
Level
57
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.4 디스크 블록의 I/O - 지연쓰기
불필요한 I/O를 피하기 위해 사용
3. 다른
프로세스가
버퍼를 사용할
File Subsystem
경우 write
하지 않음
Process
System Call Interface
6. 버퍼는 Old 였기 때문에
프리 리스트 상의
맨 앞에 위치하게 된다
(LRU 알고리즘)
1. Buffer에 Old 라고 표기 후
Disk Driver에게 알림
Buffer Cache
Device Driver
(Disk Driver)
4. 없을 경우
쓰기 수행
(Disk Controller)
(Disk)
2. 다른 프로세스에서 사용하길
기대하며 최대한 쓰기 지연
I/O 스케줄 하지 않음
Hardware Control
Hardware
User Level
Kernel
Level
Process
Control
Subsystem
(Interrupt Handler)
(CPU)
5. 버퍼
반환을 위해
CPU
Hardware
인터럽트
Level
58
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
Ⅰ
정의 및 버퍼 헤더
Ⅱ
버퍼풀의 구조
Ⅲ
버퍼를 가져오는 시나리오
Ⅳ
디스크 블럭의 I/O
V
버퍼 캐쉬의 장∙단점
59
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.5 버퍼 캐쉬의 장점
■
간단한 시스템 설계
 버퍼를 사용함으로써 커널이 I/O에 대한 이유를 일일히 알 필요가 없
어지기 때문에 일관된 디스크 접근 가능
■
높은 이식성
 커널이 내부적으로 데이터를 정렬하기 때문에 개발자들이 일일히 데
이터 정렬을 신경 쓸 필요가 없음
■
낮은 disk traffic
 캐쉬의 데이터 블록만 있으면 디스크 I/O가 필요 없으므로 불필요한
탐색을 줄일 수 있음
■
데이터의 무결성 유지
 캐쉬에서 공통된 단 하나만의 버퍼를 유지하므로 데이터 뒤섞임 방지
60
UNIX 운영체제의 설계 – Chapter 3. Buffer Cache
3.5 버퍼 캐쉬의 단점
■
시스템 성능 저하 우려
 너무 많은 메모리를 버퍼에 할당하면 paging이 잦아지게 됨
■
두 번의 데이터 복사
 프로세스가 데이터를 write할 때는 커널에 데이터를 쓰고 디스크로 옮
기고 read할 때는 디스크에서 커널로 옮기게 되는 2번의 복사 작업이
대용량 데이터 사용시 시스템 성능을 저하시킴
61
감사합니다