Advance I/O#

Blocking / Non-blocking:

• By Default Blocking 是要求全部操作都結束才能 return
  • 中間可能發生 Context switch，可能被踢出 CPU
  • 系統比較喜歡這個，可以讓每個 resources 獲得最好的效能
• Non-blocking 是有多少就要求多少，return immediately
  • 不要被踢出 CPU

Non-blocking:

• 如果一次要 100 個 bytes，第一次 OS 會先把在 buffer cache 裡面的給你，然後 OS 再默默把剩下的慢慢給你
• “Slow system calls”:
  • 是 forever block 的（像是要等 user input），如果前面不給資料，後面就不用動了
  • Reads or writes on pipes, terminal devices, and network devices
• 
  • 雖然 DISK 不是傳統上會造成 Slow system call 的東東西

Terminal Device:

• 這樣的 buffer 會是 circular 的，一端讀一端寫
  • input 是 memory to memory 快
  • output 是 memory to I/O 慢
  • 若是 mode Non-blocking: polling (busy waiting; a waste of CPU time on a multiuser system) 因為要不停 query 詢問 queue 是否有空

I/O Multiplexing#

理念就是，讓 OS 提醒 data 已經 ready 再去拿，space ready 再去寫

totalFds = select(nfds, readfds, writefds, errorfds, timeout)

• nfds 有多少 fd
• readfds 有興趣要讀的 fd，用 bits string 代表，有興設定為 1
• writefds 有興趣要寫的 fd，，用 bits string 代表，有興設定為 1
• readfds, writefds 的 type 是 fd_set 因為是 system depending 的
• 
• 呼叫 select() 後，system 就會去看 4 個，後面的就不用幫忙看，當有 partial ready 後，就會 return 一個 totalFds（幾個 ready 了），所以 readfds, writefds 同時是輸入也是輸出

totalFds = poll( fdarray[], nfds, timeout )

• struct pollfd {
     int fd; // file descriptor to check, or <0 to ignore
     short events; // bit mask: each bit indicates an event of interest on fd
     short revents; // bit mask: each bit indicates an event that occurred on fd
  }

  c
• nfds: the number of items in the fds array
• timeout: how long to wait before un-suspending the process
  • -1: wait forever, 0: don’t wait: >0: wait (milliseconds)
• select() 呼叫後會等待，直到 return，期間會 context switch 去其他地方

select() 是為了在 blocking 環境下不被 block 住，但實務上，我們會做成 atomic 的，select() 跟 read() 中間會有一個 gap，我們會把它的 fd 改成 non-blocking，不然資料可能被別人讀走

File Lock#

• 本來有 1000，藍色 program 先提了 100 然後綠色 提出 100，但 write 的 process 是藍色，他會寫入 900 而非 800
• 只要有 process 在 write() File 就會被 lock 住，多個 process 會搶一個 file
• 只有 read() 是可以 share 的
• 使否上所是 Unix 決定的，因為只有系統知道其他人有沒有在讀寫，如果不行鎖，就等到可以鎖 （blocking）或 context switch 走（nonblocking）

Type of Lock#

• Shared read lock
  • 可以多人共享
  • 但不在鎖裡面的人都不能讀
• Exclusive write lock
  • 只有一個 process 可以 lock
  • 上了 write lock 就不能上 read lock
• 實務上即使可以上 read lock 也不一定會上，因為有 process 在等 write lock，而 read lock unlock 要等所有人 unlock 有公平性問題

Function

• flock(): 整個檔案鎖，不推
• fcntl()
• lockf(): 也是 fcntl() 不推

int fcntl (int filedes, int cmd, ... /* struct flock *flockptr */ )

• F_GETLK: query
• F_SETLK: lock
• lock 的時候不必問，直接鎖，因為 context switch 出去會出現狀態改變，time-to-check time-to-use 不壹樣
• Lockptr

  struct flock {
    short l_type; /* F_RDLCK, F_WRLCK, or F_UNLCK */
    off_t l_start; /* offset in bytes, relative to l_whence */
    short l_whence; /* SEEK_SET, SEEK_CUR, or SEEK_END */
    off_t l_len; /* length, in bytes; 0 means lock to EOF */
    pid_t l_pid; /* returned with F_GETLK */
  }

  c

• 因為 i-node table 上有記錄上 lock 的 process，他只認 process 所以只要是從正確的 process 來的就可以把 lock release 掉

Advisory lock

• 有人可能會不去 F_GETLK, F_SETLK，直接 call write()
• 但是通常會搭配 Unix account 的機制，其他人根本對檔案並沒有權限，只有自己動得了自己的檔案

Mandatory lock

• 所有 system call 全都要 check lock
• 成本極高

Networking#

• Client v.s. Server
  • Client: 提出 request
  • Server: 處理 request

Socket Programming

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2025 Fall

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