linux0.11源代码电梯算法解析

在看linux0.11代码里面的电梯算法的时候，产生了一些疑惑，经过分析解决了，发现网上也有不少讨论，我自己的分析记录下来。

00017 int file_read(struct m_inode * inode, struct file * filp, char * buf, int count)
00018 {
00019     int left,chars,nr;
00020     struct buffer_head * bh;
00021
00022     if ((left=count)<=0)
00023         return 0;
00024     while (left) {
00025         if ((nr = bmap(inode,(filp->f_pos)/BLOCK_SIZE))) {
00026             if (!(bh=bread(inode->i_dev,nr)))
00027                 break;
00028         } else
00029             bh = NULL;
00030         nr = filp->f_pos % BLOCK_SIZE;
00031         chars = MIN( BLOCK_SIZE-nr , left );
00032         filp->f_pos += chars;
00033         left -= chars;
00034         if (bh) {
00035             char * p = nr + bh->b_data;
00036             while (chars-->0)
00037                 put_fs_byte(*(p++),buf++);
00038             brelse(bh);
00039         } else {
00040             while (chars-->0)
00041                 put_fs_byte(0,buf++);
00042         }
00043     }
00044     inode->i_atime = CURRENT_TIME;
00045     return (count-left)?(count-left):-ERROR;
00046 }

00270 struct buffer_head * bread(int dev,int block)
00271 {
00272     struct buffer_head * bh;
00273
00274     if (!(bh=getblk(dev,block)))
00275         panic("bread: getblk returned NULL\n");
00276     if (bh->b_uptodate)
00277         return bh;
00278     ll_rw_block(READ,bh);
00279     wait_on_buffer(bh);
00280     if (bh->b_uptodate)
00281         return bh;
00282     brelse(bh);
00283     return NULL;
00284 }

00145 void ll_rw_block(int rw, struct buffer_head * bh)
00146 {
00147     unsigned int major;
00148
00149     if ((major=MAJOR(bh->b_dev)) >= NR_BLK_DEV ||
00150     !(blk_dev[major].request_fn)) {
00151         printk("Trying to read nonexistent block-device\n\r");
00152         return;
00153     }
00154     make_request(major,rw,bh);
00155 }

00088 static void make_request(int major,int rw, struct buffer_head * bh)
00089 {
00090     struct request * req;
00091     int rw_ahead;
00092
00093 /* WRITEA/READA is special case - it is not really needed, so if the */
00094 /* buffer is locked, we just forget about it, else it's a normal read */
00095     if ((rw_ahead = (rw == READA || rw == WRITEA))) {
00096         if (bh->b_lock)
00097             return;
00098         if (rw == READA)
00099             rw = READ;
00100         else
00101             rw = WRITE;
00102     }
00103     if (rw!=READ && rw!=WRITE)
00104         panic("Bad block dev command, must be R/W/RA/WA");
00105     lock_buffer(bh);
00106     if ((rw == WRITE && !bh->b_dirt) || (rw == READ && bh->b_uptodate)) {
00107         unlock_buffer(bh);
00108         return;
00109     }
00110 repeat:
00111 /* we don't allow the write-requests to fill up the queue completely:
00112  * we want some room for reads: they take precedence. The last third
00113  * of the requests are only for reads.
00114  */
00115     if (rw == READ)
00116         req = request+NR_REQUEST;
00117     else
00118         req = request+((NR_REQUEST*2)/3);
00119 /* find an empty request */
00120     while (--req >= request)
00121         if (req->dev<0)
00122             break;
00123 /* if none found, sleep on new requests: check for rw_ahead */
00124     if (req < request) {
00125         if (rw_ahead) {
00126             unlock_buffer(bh);
00127             return;
00128         }
00129         sleep_on(&wait_for_request);
00130         goto repeat;
00131     }
00132 /* fill up the request-info, and add it to the queue */
00133     req->dev = bh->b_dev;
00134     req->cmd = rw;
00135     req->errors=0;
00136     req->sector = bh->b_blocknr<<1;
00137     req->nr_sectors = 2;
00138     req->buffer = bh->b_data;
00139     req->waiting = NULL;
00140     req->bh = bh;
00141     req->next = NULL;
00142     add_request(major+blk_dev,req);
00143 }

00040 #define IN_ORDER(s1,s2) \
00041 ((s1)->cmd<(s2)->cmd || ((s1)->cmd==(s2)->cmd && \
00042 ((s1)->dev < (s2)->dev || ((s1)->dev == (s2)->dev && \
00043 (s1)->sector < (s2)->sector))))

00064 static void add_request(struct blk_dev_struct * dev, struct request * req)
00065 {
00066     struct request * tmp;
00067
00068     req->next = NULL;
00069     cli();
00070     if (req->bh)
00071         req->bh->b_dirt = 0;
00072     if (!(tmp = dev->current_request)) {
00073         dev->current_request = req;
00074         sti();
00075         (dev->request_fn)();
00076         return;
00077     }
00078     for ( ; tmp->next ; tmp=tmp->next)
00079         if ((IN_ORDER(tmp,req) ||
00080             !IN_ORDER(tmp,tmp->next)) &&
00081             IN_ORDER(req,tmp->next))
00082             break;
00083     req->next=tmp->next;
00084     tmp->next=req;
00085     sti();
00086 }

        以上代码列出了从file_read函数到add_request的过程，其中add_request使用了电梯算法来添加请求到等待队列。这里关键是分析电梯算法按一个什么样的逻辑插入到等待队列当中。

#define IN_ORDER(s1,s2) \
((s1)->cmd<(s2)->cmd || (s1)->cmd==(s2)->cmd && \
((s1)->dev < (s2)->dev || ((s1)->dev == (s2)->dev && \
(s1)->sector < (s2)->sector)))

         先来了解一下request项的关键结构：

struct request {
int dev;		/* -1 if no request */
int cmd;		/* READ or WRITE */
int errors;
unsigned long sector;
unsigned long nr_sectors;
char * buffer;
struct task_struct * waiting;
struct buffer_head * bh;
struct request * next;
};

        dev是设备号，根据linux0.11代码里面涉及的每个存储设备编了号；cmd是指这个请求的命令，也就是读或写，其中定义READ=0,WRITE=1；sector是扇区号；buffer是读或写的缓冲区；waiting这个task_struct结构是当前进程等待队列指针；next是指向下一请求的指针。另外的errors，nr_sectors，bh我们目前不关注。

        用结构更清晰的代码开始分析IN_ORDER的原理：

bool inorder(request &s1,request &s2)
{
if (s1.cmd<s2.cmd)
{
return true;//only when s1.cmd = READ; s2.cmd = WRITE;
}
else if ( s1.cmd == s2.cmd )
{
if (s1.dev < s2.dev)
{
return true;// when (s1.cmd==s2.cmd) && (s1.dev<s2.dev)
}
else if ( s1.dev == s2.dev )
{
if (s1.sector<s2.sector)
{
return true;// when when (s1.cmd==s2.cmd) && (s1.sector<s2.sector)
}
return false;// when when (s1.cmd==s2.cmd) && (s1.sector>=s2.sector)
}
return false;// when (s1.cmd==s2.cmd) && (s1.dev>s2.dev)
}
return false;// when s1.cmd>s2.cmd
}

        从上面的每个函数返回地方的注释看出返回时的比较状态。用自然语言描述一下：IN_ORDER返回s1与s2的优先级比较结果，s1比s2高的话，返回true；s1不高于s2的话，返回false；

        IN_ORDER的内部比较思想是：先比较操作类型，读操作优先于写操作；如果操作类型相同，则比较设备号，设备号小的设备优先于设备号大的；如果设备号也相同，则比较扇区号，先处理扇区号小的扇区，意思就是从磁头从里向外读写了；如果扇区号也相同，那么返回false，也就是前面的s1优先级低于后面的s2。

      然后我们就可以来分析插入的代码了：

if (!(tmp = dev->current_request)) {
dev->current_request = req;
sti();
(dev->request_fn)();
return;
}

        上面代码的意思是：如果设备的当前处理请求项为空，那么把需要处理的请求项设置为当前处理项，当立即调用处理请求函数dev->request_fn()。

for ( ; tmp->next ; tmp=tmp->next)
if ((IN_ORDER(tmp,req) ||
!IN_ORDER(tmp,tmp->next)) &&
IN_ORDER(req,tmp->next))
break;
req->next=tmp->next;
tmp->next=req;

      上面的代码是在设备的当前请求项tmp不为空（也就是设备在忙）的情况下使用。我们可以dev->current_request理解为等待队列的一个头节点；这个头指点指向一个等待队列；我们需要把请求按一定的方法(也就是IN_ORDER算法)插入到等待队列中。

        首先，req是待插入节点，我们以tmp为哨兵节点，IN_ORDER(tmp,req)，是比较哨兵节点是否比待插入节点优先级高。

        我们作一个约定，a比b优先级高的话使用a>b的记号，否则是a<=b。注意=的临界状态，不少人因为临界状态理解不好影响整个插入算法的理解。
把上面的代码做一个伪代码来理解：

for( ; tmp->next; tmp=tmp->next)

{

if ( tmp>req && req>tmp->next) break;//也就是哨兵节点比待插入节点优先级要高，并且待插入节点的优先级要比哨兵后的一个节点要高，那么应该插入到tmp与tmp->next之间。

else if ( tmp <= tmp->next  && req>tmp->next ) break;//也就是哨兵节点不比它后面的节点优先级高——我们知道这是一个已经排序的队列，tmp优先级肯定大于或等于tmp->next，这里出现tmp <= tmp->nex成立的唯一情况就是tmp=tmp->next，也就是两个节点的优先级一样高。那么这个时候req>tmp->next也一定不会成立，就会继续下一个循环；等等！我们漏掉了一个情况——当tmp是current_request的时候，有可能出现tmp<=tmp->next的情况，此时如果req>tmp->next也成立，那么就会插入current_request后面，也就是tmp的后面！这种情况必须要理解！

else continue;//如果不适合插入tmp后面，继续下一个循环；

}

所以上面的总体意思就是：优先级从大到小排列，同一优先级的话，插入这一系统相同优先级的节点的最后面。可以说的细一点，先处理读请求，再处理写请求；同一读或写请求先处理设备号小的设备请求，再处理设备号大的设备请求，同一读或写请求，同一设备，按先里面的扇区再到外面的扇区的顺序处理。

为了更有说服力，以下我按电梯算法编写了代码，可以修改注掉的inorder部分再做测试。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define READ 0
#define WRITE 1

struct request {
int dev; /* -1 if no request */
int cmd; /* READ or WRITE */
int errors;
unsigned long sector;
unsigned long nr_sectors;
char * buffer;
//struct task_struct * waiting;
//struct buffer_head * bh;
struct request * next;
};

#define IN_ORDER(s1,s2) \ ((s1)->cmd<(s2)->cmd || (s1)->cmd==(s2)->cmd && \ ((s1)->dev < (s2)->dev || ((s1)->dev == (s2)->dev && \ (s1)->sector < (s2)->sector)))

// 作为解析，以明白的分支结构重写一个内容一样的inorder函数
bool inorder(struct request *s1,struct request *s2)
{
if (s1->cmd<s2->cmd)
{
return true;//only when s1->cmd = READ; s2->cmd = WRITE;
}
else if ( s1->cmd == s2->cmd )
{
if (s1->dev < s2->dev)
{
return true;// when (s1->cmd==s2->cmd) && (s1->dev<s2->dev)
}
else if ( s1->dev == s2->dev )
{
if (s1->sector<s2->sector)
{
return true;// when when (s1->cmd==s2->cmd) && (s1->sector<s2->sector)
}
return false;// when when (s1->cmd==s2->cmd) && (s1->sector>=s1->sector)
}
return false;// when (s1->cmd==s2->cmd) && (s1->dev>s2->dev)
}
return false;// when s1->cmd>s2->cmd
}

void AddRequest(struct request * &head,struct request *req)
{
if (!head)
{
head = req;
head->next = 0;
return ;
}
struct request * tmp = head;
for (;tmp->next;tmp = tmp->next)
{
// 使用inorder和宏IN_ORDER是一样的结果
//if ( ( inorder(tmp,req)||
// !inorder(tmp,tmp->next)) &&
// inorder(req,tmp->next))
if ( ( IN_ORDER(tmp,req)||
!IN_ORDER(tmp,tmp->next)) &&
IN_ORDER(req,tmp->next))
{
break;
}
}
req->next = tmp->next;
tmp->next = req;
return;
}

void PrintQueen(struct request * n)
{
while (n)
{
printf("(%d,%d,%d),",n->cmd,n->dev,n->sector);
n = n->next;
}
printf("\n");
}
int main(int argc,char ** argv)
{
struct request s1;
struct request * pHead = 0;

for (int i = 0;i<100;i++)
{
struct request *req = new struct request;
req->cmd = rand()%2;
req->dev = rand()%10;
req->sector = rand()%100;
AddRequest(pHead,req);
PrintQueen(pHead);
}
return 0;
}

大家看结果，红色的是新插入的节点，和我上述的结果是一致的。