操作系统 | Project_I/O subsystem

最新推荐文章于 2025-12-22 19:02:22 发布

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本文档详细介绍了在MINIX3操作系统中创建和使用RAM盘的过程，以及编写测试代码对比RAM盘与磁盘在顺序和随机读写性能上的差异。实验结果显示，RAM盘在读写速度上普遍快于磁盘，尤其在随机读写方面，但由于内存寻址无需物理寻道，故速度优势明显。此外，分析了磁盘的寻道时间对性能的影响。

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。
在这里插入图片描述
· 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。
在这里插入图片描述
· 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

随机写	64B	128B	256B	512B	1KB	2KB	4KB	8KB	16KB	32KB
磁盘	0.244	3.255	5.086	6.104	8.138	10.652	12.079	14.422	15.452	26.042
RAM盘	2.631	6.104	9.766	21.047	42.093	73.426	97.656	167.650	233.907	260.417

顺序写	64B	128B	256B	512B	1KB	2KB	4KB	8KB	16KB	32KB
磁盘	2.589	5.026	10.358	20.715	32.944	41.430	131.777	164.474	170.898	201.613
RAM盘	3.590	7.398	12.207	29.593	39.063	78.125	156.25	188.253	234.962	454.546

随机读	64B	128B	256B	512B	1KB	2KB	4KB	8KB	16KB	32KB
磁盘	1.7089	3.418	6.8359	10.3575	16.4721	23.5721	32.9443	43.75	45.2898	56.9661
RAM盘	1.8384	4.069	7.3536	32.552	58.8291	83.4669	180.8449	267.5514	312.5	374.7002

顺序读	64B	128B	256B	512B	1KB	2KB	4KB	8KB	16KB	32KB
磁盘	2.059	6.8359	19.5313	39.0625	59.1856	156.25	165.7197	260.4167	312.5	437.5
RAM盘	5.0265	10.3575	20.715	42.7446	82.8598	165.7197	218.75	331.4394	437.5	527.1084

注：读写速率的单位：MB/s

（2）实验数据图

在这里插入图片描述

（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
欢迎探讨与指正，谢谢！