缓冲技术

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    为了缓和CPU和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，并提供获得和释放缓冲区的手段。总结来说，缓冲区技术用到了缓冲区，而缓冲区的引入是为了缓和CPU和I/O设备的不匹配，减少对CPU的中断频率，提高CPU和I/O设备的并行性。[1] 

    在数据到达与离去速度不匹配的地方，就应该使用缓冲技术。缓冲技术好比是一个水库，如果上游来的水太多，下游来不及排走，水库就起到“缓冲”作用，先让水在水库中停一些时候，等下游能继续排水，再把水送往下游。

 

简要介绍

通常CPU的速度要比I/O设备的速度快得多得多，所以可以设置缓冲区，对于从CPU来的数据，先放在缓冲区中，然后设备可以慢慢地从缓冲区中读出数据。常见的缓冲技术有：单缓冲，双缓冲，循环缓冲，缓冲池。其中，广泛流行使用公用缓冲池。

引入

在操作系统中，引入缓冲的主要原因，可归结为以下几点：

1.改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾

例如一个程序，它时而进行长时间的计算而没有输出，时而又阵发性把输出送到打印机。由于打印机的速度跟不上CPU，而使得CPU长时间的等待。如果设置了缓冲区，程序输出的数据先送到缓冲区暂存，然后由打印机慢慢地输出。这时，CPU不必等待，可以继续执行程序。实现了CPU与I/O设备之间的并行工作。事实上，凡在数据的到达速率与其离去速率不同的地方，都可设置缓冲，以缓和它们之间速度不匹配的矛盾。众所周知，通常的程序都是时而计算，时而输出的。

2. 可以减少对 CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制

如果I/O操作每传送一个字节就要产生一次中断，那么设置了n个字节的缓冲区后，则可以等到缓冲区满才产生中断，这样中断次数就减少到1/n，而且中断响应的时间也可以相应的放宽。

3. 提高 CPU和 I/O设备之间的并行性

缓冲的引入可显著提高 CPU和设备的并行操作程度，提高系统的吞吐量和设备的利用率。

根据I/O控制方式，缓冲的实现方法有两种:

一种是采用专用硬件缓冲器一种是在内存划出一个具有n个单元的专用缓冲区，以便存放输入/输出的数据。内存缓冲区又称软件缓冲。

种类

根据系统设置的缓冲器的个数，可把缓冲技术分为：

单缓冲：在设备和处理机之间设置一个缓冲器。设备相处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲器，然后，需要数据的设备或处理机从缓冲器取定数据。由于缓冲器属于临界资源，即不允许多个进程同时对一个缓冲器操作，因此，尽管单缓冲能匹配设备相处理机的处理速度，但是，设备和设备之间不能通过单缓冲达到并行操作。

双缓冲：解决两台外设、打印帆和终端之间的并行操作问题的办法是设置双缓冲。有了两个缓冲器之后，CPU可把输出到打印机的数据放入其中一个缓冲器(区)、让打印机慢慢打印；然后，它又可以从另一个为终端设置的缓冲器(区)中读取所需要的输入数据。

多缓冲：是把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门用于输入，另一部分专门用于输出的缓冲结构。

多缓冲

缓冲池：把多个缓冲区连接起来统一管理，既可用于输入又可用于输出的缓冲结构。

缓冲池的管理

结构

缓冲池由多个缓冲区组成。

而一个缓冲区由两部分组成：一部分是用来标识该缓冲器和用于管理的缓冲首部，另一部分是用于存放数据的缓冲体。这两部分有一一对应的映射关系。对缓冲池的管理是通过对每一个缓冲器的缓冲首部进行操作实现的。

缓冲首部包括设备号、设备上的数据块号（块设备时）、互斥标识位以及缓冲队列连接指针和缓冲器号等。

缓冲首部

系统把各缓冲区按其使用状况连成三种队列：

(1) 空白缓冲队列em，其队首指针为F(em)，队尾指针为L(em)；

(2) 装满输入数据的输入缓冲队列in，其队首指针为F(in)，队尾指针为L(in)；

(3) 装满输出数据的输出缓冲队列out，其队首指针为F(out)，队尾指针为L(out)。

缓冲区队列

另外，在缓冲池中还具有四种工作缓冲区：

(1) 用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）；

(2) 用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）；

(3) 用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）；

(4) 用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）。 可见，缓冲区工作在收容输入、提取输入、收容输出和提取输出四种工作方式如下：

缓冲区四种工作方式

管理

对缓冲池的管理由如下几个操作组成：

(1)从三种缓冲区队列中按一定的选取规则取出一个缓冲区的过程take_buf(type);

(2)把缓冲区按一定的选取规则插入相应的缓冲区队列的过程add_buf(type,number)；

(3)供进程申请缓冲区用的过程get_buf(type，number);

(4)供进程将缓冲区放入相应缓冲区队列的过程put_buf(type，work_buf)。

其中，参数type表示缓冲队列类型，number为缓冲区号，而work_buf则表示工作缓冲区类型。

工作过程

使用这几个操作，缓冲池的工作过程可描述如下：

首先，输入进程调用get_uf(em,number)过程从空白缓冲区队列中取出一个缓冲号为number的空白缓冲区，将其作为收容输入缓冲区hin，当hin中装满了由输入设备输入的数据之后，系统调用过程put_buf(in,hin)将该缓冲区插入输入缓冲区队列in中。

另外，当进程需要输出数据数据时，输出进程经过缓冲管理程序调用过程get_buf(em,number)从空白缓冲区队列中取出一个空白缓冲区number作为收容输出缓冲区hout，待hout中装满输出数据之后，系统再调用过程Put_buf(out,hout)将该缓冲区插入输出缓冲区队列out.

对缓冲区的输入数据和输出数据的提取也是由过程get_buf和put_buf实现的。get_buf(out，number)从输出缓冲队列中取出装满输出数据的缓冲区number，将其作为sout。当sout中数据输出完毕时，系统调用过程put_buf(em,sout)将该缓冲区插入空白缓冲队列。而get_buf(in，number)则从输入缓冲队列中取出一个装满输入数据的缓冲区number作为输入缓冲区sin，当CPU从中提取完所需数据之后，系统调用过程put_buf(em，sin)将该缓冲区释放和插入空白缓冲队列em中。