操作系统——第六章笔记（四）

7.缓冲区管理
 有”控制器”或”通道”的帮助后CPU可解放去做其他事物，提高了利用率。
 但分析单个程序内的执行
 CPU计算工作需等待后续数据输入才可继续
 CPU计算需等待数据输入完才能计算，虽然数据输入不需CPU干预，但CPU的解放也只是能去做其他程序，需切换工作，会产生开销。
 一进程中“CPU计算速度”和“设备I/O速度”仍存在不匹配的矛盾。
 解决：CPU进行当前计算时，设备进行后续数据的输入（——缓冲区）。
7.1缓冲管理
 I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率；
 缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O设备的并行性，提高利用率。
 现代OS中，几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时，都用了缓冲区。
 引入缓冲区的主要原因：
 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
 缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率
 最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。
 使用缓冲区的方式：
1）单缓冲、多缓冲
2）循环缓冲
3）缓冲池（Buffer Pool）
7.1.1单缓冲与多缓冲
1）单缓冲（Single Buffer）
 每当用户进程发出一I/O请求时，OS在主存中为之分配一个缓冲区。CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。
 单位：字符设备输入时，缓冲区用于暂存用户输入/输出的一行数据；块设备输入则是成块数据。
2）双缓冲（Double Buffer）
 进一步加快输入和输出速度，提高设备利用率制，也称缓冲对换（Buffer Swapping）
 输入：数据送入第一缓冲区，装满后转向第二缓冲区。
 读出：OS从第一缓冲区中移出数据，送入用户进程，再由CPU对数据进行计算。
 两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替
 可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。
3）区别：
 仅配置单缓冲，任意时刻都只能实现单方向的数据传输，而不允许双方同时向对方发送数据。
 为实现双向数据传输，需为两台机器中的通讯进程都设置两个缓冲区。定义不同功能：一个用作发送缓冲区，另一个用作接受缓冲区。
4）多缓冲的引入
 I/O与CPU速度基本相匹配，采用双缓冲能获得较好的效果，基本上能并行操作。但，若两者的速度相差甚远，双缓冲的效果仍不够理想；
 为进一步协调速度差，可增加缓冲区数量，同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。
 引入多缓冲机制。组织形式：循环缓冲、缓冲池。
7.1.2循环缓冲(circular buffer)
 设置多块缓冲区
 用循环结构组织，只供两个相关进程使用
 顺一个方向放入或取出
1）循环缓冲的组成
 多个缓冲区。大小相同，三种类型：
a）预备装输入数据的空缓冲区R
b）装满数据的缓冲区G
c）计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
 多个指针
a）指示正在使用的缓冲区C的指针Current
b）指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
c）指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti
2）循环缓冲区的使用
 计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。
 主要就是利用指针，操作上述不同类型缓冲区
Getbuf过程：使用缓冲区时，可调用该过程
a）计算进程取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一个。
b）输入进程放：current=nexti，R—>C，nexti下移一个
Releasebuf过程：
a）计算进程：C->R
b）输入进程：C->G
 一个时段只能用于输入或输出，不能同时双向通信。
3）进程同步
 两个进程的控制：输入进程和计算进程并行执行，如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动，这样就可能出现两种情况：
a）Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度，缓冲区满，只能阻塞输入进程等计算进程取，此情况称为系统受计算限制。
b）Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度，缓冲区空，只能阻塞计算进程等输入进程放，此情况称为系统受I/O限制。
7.1.3缓冲池（Buffer Pool）
1）循环缓冲的问题
 不能同时双向通讯
 利用率不高。缓冲区是专用缓冲。（每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区），使用有剩余时也不给其他进程使用，消耗大量内存空间。
 系统并发程序很多时，许多这样的循环缓冲需要管理，比较复杂。
为提高缓冲区的利用率，目前广泛流行缓冲池，在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。
 系统将多个缓冲区形成一个缓冲池。
 池中缓冲区为系统中所有的进程共享使用（如UNIX系统在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池）
 组织形式：队列及队列指针
2）缓冲池的组成
 对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：
a）空缓冲区；
b）装满输入数据的缓冲区；
c）装满输出数据的缓冲区；
 为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列
a）空缓冲区队列（所有进程都可用）
b）输入队列（n个进程有各自的队列）
c）输出队列（n个进程有各自的队列）
*（队列长度不固定，根据进程实际情况灵活变动，需要多少用多少）
 工作状态决定了current有四种工作缓冲区：
状态 操作者
收容输入数据的工作缓冲区；hin
提取输入数据的工作缓冲区；sin
收容输出数据的工作缓冲区；hout
提取输出数据的工作缓冲区；sout
3）缓冲区的工作方式
 四种工作方式：
a）收容输入：Getbuf(emq),hin；输入数据填入一空缓冲区；Putbuf(inq,hin)
b）提取输入： Getbuf(inq),sin；从输入缓冲队列中取出一数据区的内容；Putbuf(emq,sin)
d）收容输出： Getbuf(emq),hout；输出数据填入一空缓冲区；Putbuf(outq,hout)
e）提取输出： Getbuf(outq),sout；从输出缓冲队列中取一数据区的内容；Putbuf(emq,sout)

4）缓冲区的使用
 Getbuf（队列，工作区）
 Putbuf（队列，工作区）
同步控制
a）每队设置一个互斥信号量MS；
b）判断每个队列是否有可用的缓冲区，需一个资源信号量RS。获取缓冲区时P（RS），释放时V（RS）。
缓冲池：可双向缓冲；缓冲区整体利用率高。
8.磁盘存储器的性能和调度
8.1磁盘性能简述
8.1.1与格式有关
1）数据的组织和格式
 盘片、面、磁道、扇区
 为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。
8.1.2与速度有关
1）磁盘类型
 固定磁头（每道一磁头）
 移动磁头（每盘一磁头）
2）访问时间的计算
 寻道时间（到磁道）
 旋转延迟（到扇区）
 传输时间
传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。
8.2磁盘调度方法
8.2.1对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小。
8.2.2目标：使平均寻道时间最少。
8.2.3算法：
1）FCFS
 多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。
 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。
2）最短寻道时间优先SSTF（ShortestSeekTimeFirst）
 选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
 使每次磁头移动时间最少。
 不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。
 对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。
 SSTF会导致“饥饿”现象
总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。
改进：考虑距离的同时，更优先考虑方向
3）扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
 SCAN算法
a）规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。
b）后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。
 循环扫描算法CSCAN
a）SCAN的错过问题：
容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。
b）修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”
由里向外后，再由里向外。
4） N-Step-SCAN算法
 前述最近寻道算法共同问题：
a）“磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）
 改进：
a）将磁盘请求队列分成长为N 的子队列
b）按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。
c）处理子队列过程中产生的新I/O再依次排队列。
d）N=1时，就是FCFS，N很大时就是SCAN。
4）FSCAN算法
 N-Step-SCAN的简化：
a）请求队列只分为两个子队列
b）当前一个队列，按SCAN算法执行；
扫描期间新生成的组成一个队列，等待被扫描。