内存缓冲区管理

Posted 2022-08-26 fusiji

　　在现代操作系统中，几乎所有的设备在涉及数据交换的地方都设置了缓冲区。缓冲区由专门的寄存器组成，但由于硬件成本较高，容量相应也比较小，一般用于速度要求非常高的地方（相对于内存，作为内存的缓冲）。而对于低速的I/O设备，内存就可以作为缓冲区。内存缓冲区管理主要提供组织、获得和释放等能力。

引入缓冲的原因

1.缓冲CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

　　数据的输入输出速率不一样。由于数据的输入和输出速率不同，导致某一硬件的数据上行或下行产生时间差，为了减少这种时间差，引入缓存。

2.减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制

　　如果缓冲只有一位，那么没来一为数据就要CPU中断一次，起到的缓冲效果一般；如果缓冲有更大，那么装满缓冲区就要一段时间，对于CPU来讲中断次数明显减少。

3.解决数据粒度不匹配

　　缓冲区可以解决生产者和消费者之间单位数据大小问题。比如生产者消费者问题中，生产者单位数据小于消费者单位数据时，生产者为了满足消费者需求可以一连续生产好几个单位；而大于的话，消费者可以分几次取一个单位。

4.提高CPU与I/O设备的并行性

　　提高并行性和吞吐量。比如，CPU向块设备输出数据时，可以先将数据存放在缓冲区中（快），然后返回，接下来由缓冲区慢慢向块设备写数据，而不是由CPU直接向慢速的块设备直接输出。

单缓冲、双缓冲和环形缓冲

1.单缓冲

　　I/O设备之间只有一块缓冲区，当数据来临时，I/O设备到缓冲区的时间M和在工作区的执行时间C会产生重合，所以对于一块数据而言，T=max(C,M)+Q,Q是从缓冲区移到工作区的时间，看C和M那个更大，盖住了对方。

2.双缓冲

　　在I/O设备与工作区之间有两组相同的缓冲区，典型的代表就是CPU的超线程技术。在一个CPU核心内有两组一样寄存器，当计算单元和一组寄存器交互时，另一组寄存器和内存交互，将另一个引发中断的进程的数据放入寄存器，这样当发生中断时，CPU只需要一个时钟周期，就能从一组切换到另一组，进而执行进程；否则，必须要等若干个时钟周期。

3.环形缓冲区

（1）组成：多个缓冲区（空的，满的，正在使用的）和多个指针

（2）使用：申请和释放

（3）同步：当空指针指向满指针的位置时，所有缓冲区满，不能再申请；当满指针赶上空指针时，所有缓冲区为空，不能释放

缓冲池

　　为了提高缓冲的利用率，将多个缓冲区封装在一个缓冲池中，包含一系列的操作和数据结构。缓冲区一般都包含空白缓冲队列、输入队列、输出队列，除此之外——收容输入数据，提取输入数据，收容输出数据，提取输出数据的工作区缓冲。缓冲块有缓冲块号，设备号等内容。缓冲池可抽象成成下列四种块：hin收容进程输入到工作区；sin提取进程输入到缓冲池;sout提取进程输出到工作区;hout收容进程输出到缓冲池。