程序局部性原理

https://en.wikipedia.org/wiki/Locality_of_reference

程序局部性原理

程序的局部性原理是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。它们倾向于引用的数据项邻近于其他最近引用过的数据项，或者邻近于最近自我引用过的数据项。

在现代计算机系统的各个层次，从硬件到操作系统、应用程序等，设计上都利用了局部性原理。比如缓存机制，CPU指令顺序处理等。

局部性通常有两种形式：时间局部性和空间局部性

时间局部性（temporal locality）

时间局部性是指如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行；如果某数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。强调数据的重复访问。

利用时间局部性，缓存在现代程序系统中扮演着重要角色，数据缓存，磁盘缓存，文件缓存等，极大提高数据的重复访问性能。而在程序设计中，循环体则是时间局部性常见的一个场景

空间局部性（spatial locality）

空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后。其附近的存储单元也将被访问。强调连续空间数据的访问，一般顺序访问每个元素（步长为1）时具有最好的空间局部性，步长越大，空间局部性越差

在文件系统中的应用

以TinyOS中对文件系统的inode的处理为例
我们在内存中维护一个list，这个list记录着所有被打开的inode的信息，如果有一个inode需要被打开，则优先从这个list（内存中）查找，这比从硬盘读取的效率要高很多。
而我们新打开的一个inode，需要加到这个list的头部。根据时间局部性，这个inode很有可能在不久就会再一次被访问。这里就运用了程序局部性原理。
一个inode_open函数的实现

// return the inode according to the inode number
PINODE inode_open( PPARTITION part, uint32_t inode_no ) {
    // firstly find inode in the open_inodes list
    // store in memory in order to increase speed
    PLIST_NODE elem = part->open_inodes.head.next;
    PINODE inode_found;
    while ( elem != &part->open_inodes.tail ) {
        inode_found = elem2entry( INODE, inode_tag, elem );
        if ( inode_found->i_number == inode_no ) {
            inode_found->i_open_cnts++;
            return inode_found;
        }
        elem = elem->next;
    }

    // since cannot find inode in open_inodes list, we load it from disk and add to open_inodes list
    INODE_POSITION inode_pos;

    // get inode position
    inode_locate( part, inode_no, &inode_pos );

    // temporarily claer pgdir to malloc kernel memory for inode to share with all app
    // when we free this inode, we should clear pgdir as well.
    PTASK_STRUCT cur = running_thread();
    uint32_t* cur_pagedir_bak = cur->pgdir;
    cur->pgdir = NULL;
    inode_found = ( PINODE )sys_malloc( sizeof( INODE ) );
    // recover pgdir
    cur->pgdir = cur_pagedir_bak;

    char* inode_buf;
    if ( inode_pos.two_sec ) {
        // cope with two sectors
        inode_buf = ( char* )sys_malloc( 1024 );

        ide_read( part->my_disk, inode_pos.sec_lba, inode_buf, 2 );
    } else {
        // cope with one sector

        inode_buf = ( char* )sys_malloc( 512 );
        ide_read( part->my_disk, inode_pos.sec_lba, inode_buf, 1 );
    }
    memcpy( inode_found, inode_buf + inode_pos.off_size, sizeof( INODE ) );

    // according to the Locality_of_reference, we add this inode to the front of the open_cnts lists
    list_push( &part->open_inodes, &inode_found->inode_tag );
    inode_found->i_open_cnts = 1;

    sys_free( inode_buf );
    return inode_found;
}