操作系統(tǒng)-緩沖區(qū)管理

6.7緩?沖?區(qū)?管?理

在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，幾乎所有的I/O設(shè)備在與處理機交換數(shù)據(jù)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(lián)想存儲器；設(shè)備控制器中用的數(shù)據(jù)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(jié)為以下幾點：

(1)緩和CPU與I/O設(shè)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(yīng)時間的限制。

(3)解決數(shù)據(jù)粒度不匹配的問題。

(4)提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。圖6-22利用緩沖寄存器實現(xiàn)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(dāng)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(chǎn)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(shù)據(jù)，即使生產(chǎn)者又生產(chǎn)出新的數(shù)據(jù)，也無法將它送入緩沖區(qū)，生產(chǎn)者等待。如果為生產(chǎn)者與消費者設(shè)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(xiàn)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(xiàn)單方向的數(shù)據(jù)傳輸。例如，只允許把數(shù)據(jù)從A傳送到B，或者從B傳送到A，而絕不允許雙方同時向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，必須在兩臺機器中都設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R、已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G以及計算進程正在使用的現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)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(biāo)識和管理的緩沖首部以及用于存放數(shù)據(jù)的緩沖體兩部分組成。緩沖首部一般包括緩沖區(qū)號、設(shè)備號、設(shè)備上的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(shù)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