第六章 输入输出系统（二）

6.6 用户层的I/O软件

1.系统调用与库函数

• 不允许运行在用户态的应用进程，去直接调用运行在核心态（系统态）的OS过程。
• 应用进程在运行时，又必须取得OS所提供的服务。
• OS在用户层中引入了系统调用，应用程序可以通过它，间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作。

2.设备分配中的虚拟技术——SPOOLing技术

• 虚拟性是OS的四大特征之一。
• 多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU，实现多个用户共享一台主机。

3.SPOOLing系统的组成

1. 输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。
2. 输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。
3. 输入进程和输出进程。
   用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上；
   用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。
   

4.SPOOLing系统的特点

1. 提高了I/O的速度。
   利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
2. 将独占设备改造为共享设备。
   并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。
3. 实现了虚拟设备功能。
   多个进程可“同时”使用一台独占设备。

6.7 缓冲区管理

1.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。
• 缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率
• 最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。

2.使用缓冲区的方式：

1）单缓冲、多缓冲
2）循环缓冲
3）缓冲池（Buffer Pool）

3.单缓冲（Single Buffer）

• 每当用户进程发挥出一I/O请求时，OS在主存中为之分配一个缓冲区，CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。
• 单位：字符设备输入时，缓冲区用于暂存用户输入/输出的一行数据；块设备输入则是成块数据。

4.双缓冲（Double Buffer）

• 进一步加快输入和输出速度，提高设备利用率制，也称缓冲对换（Buffer Swapping）
• 输入：数据送入第一缓冲区，装满后转向第二缓冲区。
• 读出：OS从第一缓冲区中移出数据，送入用户进程，再由CPU对数据进行计算。
• 两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替
• 可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。
  

5.循环缓冲(Circular Buffer)

1. 设置多块缓冲区

• 多个缓冲区。大小相同，三种类型：
  预备装输入数据的空缓冲区R
  装满数据的缓冲区G
  计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
• 多个指针。
  指示正在使用的缓冲区C的指针Current
  指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
  指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti

2. 用循环结构组织，只供两个相关进程使用

• 计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。
• 主要就是利用指针，操作上述不同类型缓冲区
  ①Getbuf过程：使用缓冲区时，可调用该过程
  计算进程取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一个。
  输入进程放：current=nexti，R—>C，nexti下移一个
  ②Releasebuf过程：
  计算进程：C->R
  输入进程：C->G
  一个时段只能用于输入或输出，不能同时双向通信。

3. 顺一个方向放入或取出
   两个进程的控制：输入进程和计算进程并行执行，如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动，这样就可能出现两种情况：

• Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度，缓冲区满，只能阻塞输入进程等计算进程取，此情况称为系统受计算限制。
• Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度，缓冲区空，只能阻塞计算进程等输入进程放，此情况称为系统受I/O限制。

6.循环缓冲的问题：

1. 不能同时双向通讯
2. 利用率不高。缓冲区是专用缓冲。（每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区），使用有剩余时也不给其他进程使用，消耗大量内存空间。
3. 系统并发程序很多时，许多这样的循环缓冲需要管理，比较复杂。
   为提高缓冲区的利用率，目前广泛流行缓冲池，在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。

7.缓冲池（Buffer Pool）

1. 缓冲池的组成

• 对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：
  空缓冲区；
  装满输入数据的缓冲区；
  装满输出数据的缓冲区；
• 为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列
  空缓冲区队列（所有进程都可用）
  输入队列（n个进程有各自的队列）
  输出队列（n个进程有各自的队列）
  （队列长度不固定，根据进程实际情况灵活变动，需要多少用多少）

2. 缓冲区的工作方式
   收容输入：Getbuf(emq),hin；输入数据填入一空缓冲区；Putbuf(inq,hin)
   提取输入： Getbuf(inq),sin；从输入缓冲队列中取出一数据区的内容；Putbuf(emq,sin)
   收容输出： Getbuf(emq),hout；输出数据填入一空缓冲区；Putbuf(outq,hout)
   提取输出： Getbuf(outq),sout；从输出缓冲队列中取一数据区的内容；Putbuf(emq,sout)

6.8 磁盘存储器的性能和调度

1.磁盘性能简述

• 数据的组织和格式：盘片、面、磁道、扇区
• 为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。

2.磁盘访问时间

• 寻道时间（到磁道）
• 旋转延迟（到扇区）
• 传输时间
  传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。

3.磁盘调度方法

1. FCFS
2. 最短寻道时间优先SSTF
3. 扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
   1. 循环扫描算法CSCAN
   2. N-Step-SCAN算法
   3. FSCAN算法

4.先来先服务（FCFS）

• 多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。
• 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。

5.最短寻道时间优先（SSTF）

• 选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求，使每次磁头移动时间最少。
• 不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。
• 对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。

6.扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）

• 规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。
• 后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。
• 如当前为100，后续要求55，86，95，180，165，105
  先由内向外：选最近的105执行，再判断剩余的，选165，180。
  再由外向内：95，86，55

7.其它扫描算法

• 循环扫描CSCAN
  SCAN的错过问题：容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。
  修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”，由里向外后，再由里向外。
• N-Step-SCAN
  前述最近寻道算法共同问题：
  “磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）
  改进：
  将磁盘请求队列分成长为N 的子队列；
  按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。
  3 3 5 2 |3 3 3 2| 3 3 2 3| 3 4 4 5| 2 3 ….2 3
  处理子队列过程中产生的新I/O再依次排队列。
  N=1时，就是FCFS，N很大时就是SCAN。
• F-SCAN
  请求队列只分为两个子队列；
  当前一个队列，按SCAN算法执行；
  扫描期间新生成的组成一个队列，等待被扫描。