缓冲管理

适用计算机操作系统（OS）（第四版）
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1、缓冲的引入

1 ）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
2 ）减少对CPU的中断频率， 放宽对CPU中断响应时间的限制。
3 ）提高CPU和I/O设备之间的并行性。
4 ）解决数据粒度不匹配的问题

2、I/O缓冲区设置

• 缓冲区实现
  • 硬缓冲：
    在设备中(硬件寄存器)设置缓冲区，由硬件实现。
  • 软缓冲：
    在内存中开辟一个空间，用作缓冲区。
• 缓冲区管理
  • 简单缓冲：单缓冲和双缓冲
  • 多缓冲：循环缓冲和缓冲池

3、单缓冲与双缓冲区

缓冲区 ：缓冲区非空，不能输入数据，只有当缓冲区中的数据全部传送至工作区，才能接受下一次的数据。缓冲区为空时，可以输入数据，但只有当缓冲区为满之后，才可以向工作区传输数据。

3.1 单缓冲区

平均工作时间 : Max(T,C)+M
初始状态 ：工作区满，缓冲区空。

1）T > C
平均时间 T+M

2）T < C
平均时间 C+M

3.2 双缓冲区

初始状态 ：工作区为空，一个缓冲区满，另一个缓冲区为空
平均工作时间 : Max(T,M+C)

1 ）T > M + C
平均时间 ：T

2 ）T < M + C
平均时间 ：M + C

找不到一个和初始状态相同的时间，但是会发现每经过M+C段时间会完成对一个数据块的处理

3.3 双机通信时缓冲区的设置

单缓冲区 ：只能进行单方面的通信，即不允许双方同时向对方发送数据。

双缓冲区 ：可以实现同时通信，一个作为发送缓冲区，一个作为接受缓冲区。

4 、循环缓冲

指针：

• Nextg：指示计算进程下一个可用的满缓冲

• Nexti：指示输入进程下一个可用的空缓冲

• Current：指示计算进程正在使用的缓冲区

进程同步 ：

Nexti和Nextg同向移动

• Nexti指针追上Nextg：则输入速度>计算速度，全部缓冲区已满。则输入进程阻塞，等待有空缓冲区出现。此时称为系统受计算限制。

• Nextg指针追上Nexti：则输入速度<计算速度，全部缓冲区已空。则计算进程阻塞，等待有满缓冲区出现。此时称为系统受I/O限制。

这种循环缓冲只适用于特定的I/O进程和计算进程，属于专用缓冲，系统较大时，会有许多这样的循环缓冲，占用大量内存，利用率低

5、缓冲池

包含了三种队列 ：

空缓冲队列
输入队列
输出队列

四种工作缓冲区：

收容输入缓冲区(hin)：用于收容设备输入的数据。
提取输入缓冲区(sin)：用于提取设备输入的数据。
收容输出缓冲区(hout)：用于收容CPU输出的数据。
提取输出缓冲区(sout)：用于提取CPU输出的数据。

四种情况 ：
1）输入进程请求输入数据

从空缓冲队列队头取下一块缓冲区，作为收容输入缓冲区，当其充满之后，就会挂到输入队列队尾上。

2）计算进程请求一块输入数据
从输入队列队头取下一块缓冲区，作为提取输入缓冲区，当其为空之后，就会挂到空缓冲队列尾上。

3）计算进程请求将准备好的数据冲入缓冲区

从空缓冲队列队头取下一块缓冲区，作为收容输出缓冲区，当其充满之后，就会挂到输出队列队尾上。

4）输出进程请求输出数据到用户进程

从输出队列队头取下一块缓冲区，作为提取输出缓冲区，当其为空之后，就会挂到空缓冲队列尾上。