一、I/O缓冲

• 为了缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性，在现代操作系统中，几乎所有的I/O设备在与处理机交换数据时，都用了缓冲区，缓冲管理的主要职责是组织好这些缓冲区，并提供获得和释放缓冲区的手段。

• 核心思想：在内存中建立I/O缓冲区

• 缓存从输入设备流入内存的数据

• 缓存从内存流向输出设备的数据

• 在设备管理中，引入缓冲区的主要原因：

  • 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
  • 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
  • 提高CPU和I/O设备之间的并行性。

两类I/O设备：

• 面向块

  • 面向块的设备将信息保存在块中
  • 块的大小通常是固定的
  • 传送过程中一次传送一个块

• 面向流

  • 面向流的设备以字节流的方式输入/输出数据

二、单缓冲和双缓冲

1. 单缓冲

• 在单缓冲情况下，每当用户进程发出一I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区。

• 输入和计算是可以并行的，当T>C时，系统对每一块数据的处理时间为M+T；反之则为M+C，故可把系统对每一块数据的处理时间表示为Max(C,T)+M。

如图所示：T:输入时间，C:计算时间，M:数据传送时间

2. 双缓冲

• 在设备输入时，先将数据送入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。此时操作系统可以从第一缓冲区中移出数据，并送入用户进程。

• 在双缓冲时，如果假设缓冲区的数据传送到用户区时间M远小于输入时间T或计算时间C，系统处理一块数据的最大时间可粗略地认为max(C,T)。如果C<T，可使磁盘数据连续输入；如果C>T，可使CPU不必等待数据输入。

• 如果我们在实现两台机器之间的通信时，仅为它们配置了单缓冲，如图(a)所示，那么，它们之间在任一时刻都只能实现单方向的数据传输。例如，只允许把数据从A机传送到B机，或者从B机传送到A机，而绝不允许双方同时向对方发送数据。

• 为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置两个缓冲区，一个用作发送缓冲区，另一个用作接收缓冲区，如图(b)所示。

三、循环缓冲

当输入与输出两者的速度相差甚远，引入了多缓冲机制。可将多个缓冲组织成循环缓冲形式。

1. 循环缓冲的组成

• 多个缓冲区。每个缓冲区的大小相同。

• 多个指针。

  • 指示计算进程下一个可用缓冲区G的指针Nextg。
  • 指示输入进程下次可用的空缓冲区R的指针Nexti。
  • 指示计算进程正在使用的缓冲区C的指针Current。

循环缓冲区的组织方式：

2. 循环缓冲区的使用

• Getbuf

  • 将Nextg指示的缓冲区提供给进程使用，Nextg置空，指针下移Nextg=(Nextg+1)Mod N。
  • 将Nexti对应缓冲区提供给进程使用，Nexti置满，指针下移Nexti=(Nexti+1)Mod N。

• Releasebuf

  • 当输入进程装满缓冲区，调用Releasebuf释放的C缓冲，改为G缓冲。
  • 当计算进程取空C缓冲，调用Releasebuf释放C缓冲，改为R。

3. 缓冲区管理的同步问题

使用输入循环缓冲，指针Nexti和指针Nextg将不断地沿着顺时针方向移动，这样就可能出现下述两种情况

• Nexti指针追赶上Nextg指针。

  • 这意味着输入进程输入数据的速度大于计算进程处理数据的速度，已把全部可用的空缓冲区装满，再无缓冲区可用。此时，输入进程应阻塞。

• Nextg指针追赶上Nexti指针。

  • 这意味着输入数据的速度低于计算进程处理数据的速度，使全部装有输入数据的缓冲区都被抽空，再无装有数据的缓冲区供计算进程提取数据。这时，计算进程只能阻塞。

四、缓冲池

为了提高缓冲区的利用率，目前广泛流行公用缓冲池，在池中设置了多个可供若干个进程共享的缓冲区。

1. 缓冲池的组成

• 空缓冲队列emq。由空缓冲区所链成的队列。

• 输入队列inq。由装满输入数据的缓冲区所链成的队列。

• 输出队列outq，由装满输出数据的缓冲区所链成的队列。

还应具有四种工作缓冲区：

• 用于收容输入数据的工作缓冲区。

• 用于提取输入数据的工作缓冲区。

• 用于收容输出数据的工作缓冲区。

• 用于提取输出数据的工作缓冲区。

2. 缓冲区的工作方式

• 收容输入

• 提取输入

• 收容输出

• 提取输出