缓冲区是什么

缓冲区是一个临时存储区域，可以由硬件寄存器组成，也可以由主存中的一段空间组成。操作系统 I/O 管理讨论的缓冲区通常是主存缓冲区，由设备独立性软件组织和管理。

缓冲区的作用：

缓和 CPU、内存与 I/O 设备之间的速度差异；
协调不同设备或进程之间的数据单位差异；
减少进程因 I/O 等待而被频繁阻塞；
支持异步 I/O、DMA、SPOOLing 等机制。

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以输出为例，用户进程可以把一块数据快速放入缓冲区，之后继续执行；慢速设备再从缓冲区逐步取走数据。输入时方向相反，设备先把数据放入缓冲区，进程再从缓冲区取数据。

单缓冲

单缓冲是在主存中为 I/O 分配一个缓冲区。若题目没有特别说明，一个缓冲区大小通常等于一个数据块。

单缓冲读入时涉及三个时间：

符号	含义
$T$	设备把一块数据输入到缓冲区的时间
$M$	缓冲区到用户工作区的传送时间
$C$	CPU 处理用户工作区中一块数据的时间

单缓冲约束：

缓冲区非空时，不能继续向缓冲区输入，只能先把数据传出；
缓冲区为空时，可以向缓冲区输入；
通常要等缓冲区装满一块数据后，才能传送到用户工作区。

分析平均时间时，不要先背公式。先选一个便于观察的状态，再看系统什么时候再次回到这个状态。两次相同状态之间处理了多少块数据，就能得到平均处理时间。

单缓冲常用的初始状态是：工作区满，缓冲区空。此时 CPU 可以处理工作区中的旧数据，设备可以向空缓冲区输入下一块数据。

对照 slides 分析：

若 $T>C$，设备输入更慢。CPU 处理完旧数据后，缓冲区还没有装满，不能把下一块数据传到工作区，只能等待设备输入结束。等输入结束后，再用 $M$ 把缓冲区内容传到工作区。此时又回到“工作区满，缓冲区空”的状态，所以一块数据平均耗时 $T+M$。
若 $T<C$，CPU 处理更慢。设备先把缓冲区装满，但单缓冲非空时不能继续输入下一块，只能等待 CPU 处理完旧数据。CPU 处理结束后，再用 $M$ 把缓冲区内容传到工作区。此时又回到“工作区满，缓冲区空”的状态，所以一块数据平均耗时 $C+M$。

因此，单缓冲处理一块数据的平均时间为：

$$
\max(C,T)+M
$$

双缓冲

双缓冲为 I/O 分配两个缓冲区。一个缓冲区供设备输入时，另一个缓冲区中的数据可以传送给用户工作区并被 CPU 处理。

双缓冲常取“工作区空，一个缓冲区满，另一个缓冲区空”作为初始状态。此时可以立刻把满缓冲区传到工作区，同时设备可以向另一个空缓冲区输入。

对照 slides 分析：

若 $T>C+M$，设备输入更慢。把已有满缓冲区传到工作区需要 $M$，CPU 处理需要 $C$，这两步合起来仍短于设备填满另一个缓冲区的时间。系统的节奏被设备输入限制，因此每处理一块数据平均耗时 $T$。
若 $T<C+M$，设备输入更快。设备较早填满空缓冲区，但用户工作区中的数据还没完成“传送 + 处理”，设备不能无限提前。系统的节奏被 $M+C$ 限制，因此每处理一块数据平均耗时 $C+M$。

因此，双缓冲处理一块数据的平均时间为：

$$
\max(T,C+M)
$$

单缓冲与双缓冲的区别：

项目	单缓冲	双缓冲
缓冲区数量	1 个	2 个
设备输入和 CPU 处理重叠	重叠能力弱	重叠能力更强
平均处理一块数据	$\max(C,T)+M$	$\max(T,C+M)$
通信方向	两台机器各一个单缓冲时，同一时刻通常只能单向传输	双缓冲可同时准备发送和接收，支持双向传输

循环缓冲

循环缓冲把多个大小相等的缓冲区组织成循环队列。

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常见指针：

in：指向下一个可以装入数据的空缓冲区；
out：指向下一个可以取出数据的满缓冲区。

循环缓冲适合连续输入或连续输出。生产者不断把数据放入空缓冲区，消费者不断从满缓冲区取数据。若空缓冲区耗尽，生产者等待；若满缓冲区耗尽，消费者等待。

缓冲池

缓冲池由系统中公用的多个缓冲区组成。操作系统按使用状态把缓冲区组织成队列。

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三类队列：

队列	含义
空缓冲队列	可分配、可装入数据的空缓冲区
输入队列	已装满输入数据，等待进程提取的缓冲区
输出队列	已装满输出数据，等待设备输出的缓冲区

四种工作缓冲区：

工作缓冲区	作用
`hin`	收容输入数据，从空缓冲队列取出，装满后挂到输入队列
`sin`	提取输入数据，从输入队列取出，读空后挂回空缓冲队列
`hout`	收容输出数据，从空缓冲队列取出，装满后挂到输出队列
`sout`	提取输出数据，从输出队列取出，输出完后挂回空缓冲队列

SPOOLing

SPOOLing 是 Simultaneous Peripheral Operations On-Line，也叫假脱机技术。它用软件方式模拟脱机输入/输出，把慢速独占设备前面加上一层磁盘队列和管理进程。

SPOOLing 需要多道程序技术支持。系统中通常有输入进程、输出进程、输入井、输出井和内存缓冲区。

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组成部分：

部分	位置	作用
输入井	磁盘	收容输入设备送来的数据
输出井	磁盘	收容用户进程要输出的数据
输入缓冲区	内存	暂存从输入设备到输入井的数据
输出缓冲区	内存	暂存从输出井到输出设备的数据
输入进程	系统进程	模拟脱机输入的外围控制机
输出进程	系统进程	模拟脱机输出的外围控制机

输入方向：

输入设备把数据送入内存输入缓冲区。
输入进程把缓冲区数据转存到磁盘输入井。
用户进程需要数据时，从输入井取得相应数据。

输出方向：

用户进程把要输出的数据提交给系统。
系统把输出数据放入磁盘输出井。
输出进程按队列取出输出任务，把数据经输出缓冲区送到输出设备。

共享打印机

普通打印机是独占设备：同一时刻只能真正打印一个任务。SPOOLing 可把它改造成逻辑上的共享设备。

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多个进程请求打印时，系统并不把物理打印机直接分给每个进程，而是：

在输出井中为该进程申请一个磁盘存储区，保存待打印数据。
为该进程建立打印请求表，记录数据位置、打印参数等。
把打印请求表挂到假脱机文件队列。
打印机空闲时，输出进程从队列头取出一个请求。
输出进程把输出井中的数据送入输出缓冲区，再驱动打印机打印。

这样，每个用户进程都感觉自己提交了一个“独立打印机”的任务；物理上只有一台打印机，真正输出仍然按队列串行完成。

虚拟设备的含义

SPOOLing 不是让物理打印机真的并行打印多个任务，而是把独占设备前面的等待过程转移到磁盘队列中。它把一台物理独占设备虚拟成逻辑上的多台共享设备。

# 小结

缓冲区用主存空间协调速度差异和传输单位差异。
单缓冲平均处理一块数据为 $\max(C,T)+M$。
双缓冲平均处理一块数据为 $\max(T,C+M)$。
循环缓冲适合连续生产、连续消费。
缓冲池通过空缓冲队列、输入队列、输出队列和四类工作缓冲区统一管理缓冲资源。
SPOOLing 用磁盘输入井/输出井和系统进程模拟脱机 I/O，可把独占设备改造成虚拟共享设备。