操作系統(tǒng)-緩沖區(qū)管理課件

1、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(jī)交換數(shù)據(jù)時(shí)都用了緩沖區(qū)。緩沖區(qū)是一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域，它可以由專(zhuān)門(mén)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(duì)速度要求非常高的場(chǎng)合，如存儲(chǔ)器管理中所用的聯(lián)想存儲(chǔ)器；設(shè)備控制器中用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。 6.7 緩沖區(qū)管理在現(xiàn)代操作系統(tǒng)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(diǎn)：(1) 緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。(2) 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。(3) 解決數(shù)據(jù)粒度不匹配的問(wèn)題。(4) 提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。6.7.1 緩沖的引入 引入緩沖區(qū)的

2、原因有很多，可圖6-22 利用緩沖寄存器實(shí)現(xiàn)緩沖圖6-22 利用緩沖寄存器實(shí)現(xiàn)緩沖6.7.2 單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū) 1. 單緩沖區(qū)(Single Buffer)在單緩沖情況下，每當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程發(fā)出一I/O請(qǐng)求時(shí)，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。 6.7.2 單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū) 1. 單緩沖區(qū)(S圖6-23 單緩沖工作示意圖圖6-23 單緩沖工作示意圖2. 雙緩沖區(qū)(Double Buffer)由于緩沖區(qū)是共享資源，生產(chǎn)者與消費(fèi)者在使用緩沖區(qū)時(shí)必須互斥。如果消費(fèi)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(wú)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(fèi)者設(shè)置了兩個(gè)緩

3、沖區(qū)，便能解決這一問(wèn)題。2. 雙緩沖區(qū)(Double Buffer)由于緩圖6-24 雙緩沖工作示意圖圖6-24 雙緩沖工作示意圖如果在實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器之間的通信時(shí)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(shí)刻都只能實(shí)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(shí)向?qū)Ψ桨l(fā)送數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，必須在兩臺(tái)機(jī)器中都設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)用作發(fā)送緩沖區(qū)，另一個(gè)用作接收緩沖區(qū)，如圖6-25(b)所示。如果在實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)器之間的通信時(shí)僅為它們配置了單緩沖，如圖圖6-25 雙機(jī)通信時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置圖6-25 雙機(jī)通信時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置6.7.3

4、環(huán)形緩沖區(qū) 1. 環(huán)形緩沖區(qū)的組成(1) 多個(gè)緩沖區(qū)。在環(huán)形緩沖中包括多個(gè)緩沖區(qū)，其每個(gè)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(lèi)型：用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R、已裝滿(mǎn)數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G以及計(jì)算進(jìn)程正在使用的現(xiàn)行工作緩沖區(qū)C，如圖6-26所示。6.7.3 環(huán)形緩沖區(qū) 1. 環(huán)形緩沖區(qū)的組成圖6-26 環(huán)形緩沖區(qū)圖6-26 環(huán)形緩沖區(qū)2. 環(huán)形緩沖區(qū)的使用計(jì)算進(jìn)程和輸入進(jìn)程可利用下述兩個(gè)過(guò)程來(lái)使用形環(huán)緩沖區(qū)。(1) Getbuf過(guò)程。(2) Releasebuf過(guò)程。2. 環(huán)形緩沖區(qū)的使用計(jì)算進(jìn)程和輸入進(jìn)程可利用下述3. 進(jìn)程之間的同步問(wèn)題使用輸入循環(huán)緩沖，可使輸入進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程并行執(zhí)行。相應(yīng)

5、地，指針Nexti和指針Nextg將不斷地沿著順時(shí)針?lè)较蛞苿?dòng)，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。 3. 進(jìn)程之間的同步問(wèn)題使用輸入循環(huán)緩沖，可使輸入6.7.4 緩沖池(Buffer Pool) 1. 緩沖池的組成緩沖池管理著多個(gè)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)由用于標(biāo)識(shí)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(hào)、設(shè)備號(hào)、設(shè)備上的數(shù)據(jù)塊號(hào)、同步信號(hào)量以及隊(duì)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(lèi)型的緩沖區(qū)鏈接成一個(gè)隊(duì)列，于是可形成以下三個(gè)隊(duì)列：(1) 空白緩沖隊(duì)列emq。(2) 輸入隊(duì)列inq。(3) 輸出隊(duì)列outq。 6.7.4 緩沖池(Buffer Pool) 1.2. Getbuf過(guò)程和Putbuf過(guò)程在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程中，曾介紹過(guò)隊(duì)列和對(duì)隊(duì)列進(jìn)行操作的兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)是 Addbuf(type，number)過(guò)程。該過(guò)程用于將由參數(shù)number所指示的緩沖區(qū)B掛在type隊(duì)列上。第二個(gè)是Takebuf(type)過(guò)程。它用于從type所指示的隊(duì)列的隊(duì)首摘下一個(gè)緩沖區(qū)。2. Getbuf過(guò)程和Putbuf過(guò)程在數(shù)據(jù)結(jié)