操作系統(tǒng)-緩沖區(qū)管理

6.7緩?沖?區(qū)?管?理

在現代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的I/O設備在與處理機交換數據時都用了緩沖區(qū)。緩沖區(qū)是一個存儲區(qū)域，它可以由專門的硬件寄存器組成，但由于硬件的成本較高，容量也較小，一般僅用在對速度要求非常高的場合，如存儲器管理中所用的聯想存儲器；設備控制器中用的數據緩沖區(qū)等。6.7.1緩沖的引入

引入緩沖區(qū)的原因有很多，可歸結為以下幾點：

(1)緩和CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾。

(2)減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應時間的限制。

(3)解決數據粒度不匹配的問題。

(4)提高CPU和I/O設備之間的并行性。圖6-22利用緩沖寄存器實現緩沖6.7.2單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū)

1.單緩沖區(qū)(SingleBuffer)

在單緩沖情況下，每當用戶進程發(fā)出一I/O請求時，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)，如圖6-23所示。圖6-23單緩沖工作示意圖

2.雙緩沖區(qū)(DoubleBuffer)

由于緩沖區(qū)是共享資源，生產者與消費者在使用緩沖區(qū)時必須互斥。如果消費者尚未取走緩沖區(qū)中的數據，即使生產者又生產出新的數據，也無法將它送入緩沖區(qū)，生產者等待。如果為生產者與消費者設置了兩個緩沖區(qū)，便能解決這一問題。圖6-24雙緩沖工作示意圖如果在實現兩臺機器之間的通信時僅為它們配置了單緩沖，如圖6-25(a)所示，那么，它們之間在任一時刻都只能實現單方向的數據傳輸。例如，只允許把數據從A傳送到B，或者從B傳送到A，而絕不允許雙方同時向對方發(fā)送數據。為了實現雙向數據傳輸，必須在兩臺機器中都設置兩個緩沖區(qū)，一個用作發(fā)送緩沖區(qū)，另一個用作接收緩沖區(qū)，如圖6-25(b)所示。圖6-25雙機通信時緩沖區(qū)的設置6.7.3環(huán)形緩沖區(qū)

1.環(huán)形緩沖區(qū)的組成

(1)多個緩沖區(qū)。在環(huán)形緩沖中包括多個緩沖區(qū)，其每個緩沖區(qū)的大小相同。作為輸入的多緩沖區(qū)可分為三種類型：用于裝輸入數據的空緩沖區(qū)R、已裝滿數據的緩沖區(qū)G以及計算進程正在使用的現行工作緩沖區(qū)C，如圖6-26所示。圖6-26環(huán)形緩沖區(qū)

2.環(huán)形緩沖區(qū)的使用

計算進程和輸入進程可利用下述兩個過程來使用形環(huán)緩沖區(qū)。

(1)Getbuf過程。

(2)Releasebuf過程。

3.進程之間的同步問題

使用輸入循環(huán)緩沖，可使輸入進程和計算進程并行執(zhí)行。相應地，指針Nexti和指針Nextg將不斷地沿著順時針方向移動，這樣就可能出現下述兩種情況：

(1)Nexti指針追趕上Nextg指針。

(2)Nextg指針追趕上Nexti指針。6.7.4緩沖池(BufferPool)

1.緩沖池的組成

緩沖池管理著多個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)由用于標識和管理的緩沖首部以及用于存放數據的緩沖體兩部分組成。緩沖首部一般包括緩沖區(qū)號、設備號、設備上的數據塊號、同步信號量以及隊列鏈接指針等。為了管理上的方便，一般將緩沖池中具有相同類型的緩沖區(qū)鏈接成一個隊列，于是可形成以下三個隊列：

(1)空白緩沖隊列emq。

(2)輸入隊列inq。

(3)輸出隊列outq。

2.?Getbuf過程和Putbuf過程

在數據結構課程中，曾介紹過隊列和對隊列進行操作的兩個過程，第一個是Addbuf(type，number)過程。該過程用于將由參數number所指示的緩沖區(qū)B掛在type隊列上。第二個是Takebuf(type)過程。它用于從typ