《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng) 》課件-5.4緩沖管理

5.4緩沖管理

緩沖的引入緩沖的實(shí)現(xiàn)機(jī)制5.4緩沖管理

一.緩沖的引入（2）提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。（3）減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。緩沖是在兩種不同速度的設(shè)備之間傳輸信息時(shí)平滑傳輸過(guò)程的常用手段（1）緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。cpu設(shè)備緩沖1位緩沖100Kb/s8位緩沖寄存器送內(nèi)存100Kb/s(b)(a)例：在一個(gè)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中，在本地接收從遠(yuǎn)程終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，速率為100kb/s。送內(nèi)存CPU中斷頻率：100K；CPU響應(yīng)時(shí)間：10us；CPU中斷頻率：12.5K；CPU響應(yīng)時(shí)間：10us；●

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兩個(gè)8位緩沖寄存器100Kb/s送內(nèi)存(c)CPU中斷頻率：12.5K；CPU響應(yīng)時(shí)間：80us；送內(nèi)存●

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二.緩沖實(shí)現(xiàn)機(jī)制1.單緩沖(SingleBuffer)系統(tǒng)對(duì)一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間：Max(C,T)+M

5.4緩沖管理

2.雙緩沖(DoubleBuffer)

系統(tǒng)對(duì)一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間：Max(C+M,T)

T

M

C5.4緩沖管理

二.緩沖實(shí)現(xiàn)機(jī)制3.循環(huán)緩沖5.4緩沖管理

二.緩沖實(shí)現(xiàn)機(jī)制

2341n…765outincurrent滿(mǎn)緩沖區(qū)空緩沖區(qū)4.緩沖池(BufferPool)（1）緩沖池的組成①緩沖隊(duì)列

由內(nèi)存中一組緩沖區(qū)組成，由系統(tǒng)統(tǒng)一管理。

輸入隊(duì)列inq；輸出隊(duì)列outq。

空緩沖區(qū)：空緩沖隊(duì)列emq；

裝滿(mǎn)輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)：

裝滿(mǎn)輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)：5.4緩沖管理

4.緩沖池(BufferPool)（1）緩沖池的組成②工作緩沖區(qū)

進(jìn)程正在使用的緩沖區(qū)收容輸入工作緩沖區(qū)提取輸入工作緩沖區(qū)收容輸出工作緩沖區(qū)提取輸出工作緩沖區(qū)5.4緩沖管理

（2）緩沖池的使用：

①Getbuf(type):

申請(qǐng)一個(gè)緩沖區(qū)；

②

Putbuf(type,number):

釋放一個(gè)緩沖區(qū)；信號(hào)量設(shè)置：資源信號(hào)量：表示某類(lèi)緩沖隊(duì)列中緩沖區(qū)的數(shù)量：

RS(emq)=n;RS(inq)=0;RS(outq)=0;互斥信號(hào)量：實(shí)現(xiàn)相應(yīng)緩沖隊(duì)列的互斥使用：

MS(emq)=MS(inq)=MS(outq)=1;4.緩沖池(BufferPool)voidGet_buf(type){wait(Rs(type));wait(mutex(type));B(number)=takebuf(type);signal(mutex(type));}（2）緩沖池的使用：4.緩沖池(BufferPool)2.緩沖池的使用：

voidPut_buf(type,number){wait(mutex(type));add_buf(type,number);signal(mutex(type));signal(Rs(type));}4.緩沖池(BufferPool)（3）緩沖池的工作方式

輸入隊(duì)列

空緩沖隊(duì)列

輸出隊(duì)列Getbuf(emq)收容輸入Putbuf(inq)Putbuf(outq)Getbuf(emq)Getbuf(inq)Putbuf(emq)Getbuf(outq)Putbuf(emq)提取輸入收容輸出提取輸出4.緩沖池(BufferPool)5.4緩沖管理

205.UNIX系統(tǒng)的緩沖區(qū)管理(塊緩沖）（1）UNIX系統(tǒng)緩沖管理的思路減少對(duì)磁盤(pán)的I/O操作次數(shù)，加快系統(tǒng)響應(yīng)。預(yù)先緩存：當(dāng)進(jìn)程要從磁盤(pán)讀數(shù)據(jù)時(shí)，首先從高速緩沖中讀延遲發(fā)送：當(dāng)進(jìn)程要寫(xiě)數(shù)據(jù)到磁盤(pán)時(shí)，先寫(xiě)入高速緩沖中高速緩沖

用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)用戶(hù)進(jìn)程磁盤(pán)高速緩沖

用戶(hù)數(shù)據(jù)區(qū)用戶(hù)進(jìn)程磁盤(pán)21（2）緩沖管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)①

緩沖區(qū)的組成

ⅰ緩存數(shù)組

——含有磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器數(shù)組

ⅱ緩存首部

——描述緩沖區(qū)特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.4緩沖管理

5.UNIX系統(tǒng)的緩沖區(qū)管理(塊緩沖）22

②緩存首部結(jié)構(gòu)設(shè)備號(hào)dev塊號(hào)blkno狀態(tài)flag指向數(shù)據(jù)區(qū)域的指針字節(jié)數(shù)返回的I/O出錯(cuò)信息b_forw

設(shè)備緩沖區(qū)隊(duì)列前向指針b_back

設(shè)備緩沖區(qū)隊(duì)列后向指針av_forw

空閑緩沖區(qū)隊(duì)列前向指針av_back

空閑緩沖區(qū)隊(duì)列后向指針

ⅰ設(shè)備號(hào)dev緩沖區(qū)所包含的信息所屬設(shè)備的設(shè)備號(hào)

ⅱ塊號(hào)blkno由設(shè)備號(hào)指出的設(shè)備上相對(duì)于第0塊的塊號(hào)

ⅲ狀態(tài)flag——描述了緩沖區(qū)當(dāng)前的狀態(tài)忙標(biāo)志BUSY：緩沖區(qū)當(dāng)前正“忙”有效位AVE：緩沖包含的數(shù)據(jù)有效延遲寫(xiě)DELWR：核心在某緩沖區(qū)重新分配出去之前必須把緩沖區(qū)內(nèi)容寫(xiě)到磁盤(pán)上寫(xiě)標(biāo)志W(wǎng)RITE：核心當(dāng)前正把緩沖區(qū)的內(nèi)容寫(xiě)到磁盤(pán)讀標(biāo)志READ：核心當(dāng)前正從磁盤(pán)往緩沖區(qū)寫(xiě)信息等待位

WAIT：一個(gè)進(jìn)程當(dāng)前正在等候緩沖區(qū)變?yōu)榭臻e（2）緩沖管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)23③緩沖區(qū)隊(duì)列結(jié)構(gòu)

ⅰ設(shè)備緩沖區(qū)隊(duì)列與某類(lèi)設(shè)備有關(guān)的所有緩沖區(qū)組成的隊(duì)列稱(chēng)為設(shè)備緩沖區(qū)隊(duì)列，簡(jiǎn)稱(chēng)b鏈。5.UNIX系統(tǒng)的緩沖區(qū)管理（2）緩沖管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)b_forwb_backb_forwb_backb_forwb_backb_forwb_back設(shè)備緩沖區(qū)隊(duì)列

245.UNIX系統(tǒng)的緩沖區(qū)管理③緩沖區(qū)隊(duì)列結(jié)構(gòu)

ⅱ空閑緩沖區(qū)隊(duì)列可供重新分配使用的緩沖區(qū)組成的隊(duì)列稱(chēng)為空閑緩沖區(qū)隊(duì)列，簡(jiǎn)稱(chēng)av鏈。

（2）緩沖管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)av_forwav_backav_forwav_backav_forwav_backav_forwav_back空閑緩沖區(qū)隊(duì)列

26分配一個(gè)buf讀/寫(xiě)某設(shè)備上的塊：①首先尋找該設(shè)備的b鏈，若找到：1）B_BUSY=0：移出av鏈，B_BUSY=1；使用完后，B_BUSY=0，鏈入av鏈隊(duì)尾。2）B_BUSY=1：緩沖區(qū)不在av鏈上，該進(jìn)程睡眠②若b鏈中找不到：取av鏈(空閑buf隊(duì)列)的首元素：1）若無(wú)延遲寫(xiě)標(biāo)記，直接分配，插入b鏈，B_BUSY=1；用完后，鏈入av鏈隊(duì)尾，B_BUSY=02）若有延遲寫(xiě)標(biāo)記：分配下一個(gè)空閑緩沖區(qū)，然后同1）（3）UNIX緩沖管理算法：LRU算法5.UNIX系統(tǒng)的緩沖區(qū)管理27對(duì)延遲寫(xiě)的處理當(dāng)一個(gè)具有延遲寫(xiě)標(biāo)記的buf移到av鏈頭，要用于分配時(shí)，立即進(jìn)行寫(xiě)操作：從av鏈上摘除，使用完后又送入av頭部，同時(shí)仍保留在原b鏈中釋放一個(gè)緩沖區(qū)：

緩沖區(qū)讀寫(xiě)操作結(jié)束后，保留在b鏈，并插入av鏈尾。（3）UNIX緩沖管理算法5.UNIX系統(tǒng)的緩沖區(qū)管理思考題：1、引入緩沖的主要目的是（）。A.提高CPU的利用率B.提高I/O設(shè)備的利用率C.改善CPU與I/O設(shè)備速度不匹配的問(wèn)題D.節(jié)省內(nèi)存2、為了使并發(fā)進(jìn)程能有效地進(jìn)行輸入和輸出，最好采用（）結(jié)構(gòu)的緩沖技術(shù)。緩沖池B.循環(huán)緩沖C.單緩沖D.雙緩沖3、緩沖技術(shù)中的緩沖區(qū)設(shè)置在（）。A.主存B.外存C.ROMD.寄存器思考題：3、設(shè)從磁盤(pán)將一塊數(shù)據(jù)傳送到緩沖區(qū)所用時(shí)間為80us，將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳送到用戶(hù)區(qū)所用時(shí)間為40us，CPU處理一塊數(shù)據(jù)所用時(shí)間為30us。如果有多塊數(shù)據(jù)要處理，并采用單緩沖區(qū)機(jī)制，則處理一塊數(shù)據(jù)所用的總時(shí)間是多少？解答：?jiǎn)尉彌_中，設(shè)備與處理機(jī)對(duì)緩沖的操作是串行的，當(dāng)進(jìn)行第i次讀磁盤(pán)數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)時(shí)，系統(tǒng)在同時(shí)處理第i-1次讀入的數(shù)據(jù)，即兩項(xiàng)工作是并行的，所以處理一塊數(shù)據(jù)的總時(shí)間為：=MAX（80us，30us）+40us=120us小組討論：4、某文件占10個(gè)磁盤(pán)塊，現(xiàn)要把該文件磁盤(pán)塊依次讀入主存緩沖區(qū)，并送至用戶(hù)區(qū)進(jìn)行處理，假設(shè)一個(gè)緩沖區(qū)與一個(gè)磁盤(pán)塊大小相同，把一個(gè)磁盤(pán)塊讀入緩沖區(qū)的時(shí)間為100us，將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到用戶(hù)區(qū)的時(shí)間為50us，CPU對(duì)一塊數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為50us，在單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū)機(jī)制下，讀入并處理完成