OS复习笔记ch11-3

接下来，我们简单地回顾一下I/O缓冲（之前在ch5-4-1的时候有提到过）

I/O缓冲

背景：
假设进程I/O需要在灰色区间读写，而灰色区间由于阻塞而被对换出去了，此时OS找不到对应的内存地址，这样就容易发生死锁。所以为了避免上述问题，就要“提前输入，延迟输出”。

• 提前输入（Pre-fetching or Read-ahead）

提前输入是一种数据处理技术，它预先从输入源（如硬盘、网络等）读取数据到一个临时存储区域（即缓冲区）。这样做的目的是减少等待时间和提高数据访问速度。通过预先加载数据，系统可以迅速地获取必要的数据，而不必在每次需要时才去源头读取，这通常涉及更高的延迟。

• 延迟输出（Write-behind or Delayed Writing）

延迟输出是指将输出操作暂存到缓冲区中，而不是立即写入目标（如硬盘）。这允许系统合并多个输出操作为较少的、更大块的写入操作，从而减少对输出设备的访问次数。这种策略可以有效减少写操作引起的性能瓶颈，特别是在目标设备相对较慢的情况下。

一般来说，缓冲区是OS在内存中专门开辟的一个空间，并且缓冲区常驻内存。如果缓冲区为空，没有相关文件，就必须要到外设去读写。

缓冲的目的

• 匹配 CPU或用户应用进程与外设的不同处理速度
• 协调逻辑记录大小与物理记录大小不一致
• 提高CPU和I/O设备之间的并行性
• 各个I/O设备之间的处理并行性

注：物理记录相当于物理设备上的数据记录，而加载到缓冲区之后，就可以根据进程需要的内容传递相应的逻辑记录

缓冲区的等待

• 在输出数据时，只有在系统还来不及腾空缓冲而进程又要写数据时，它才需要等待；
• 在输入数据时，仅当缓冲区空而进程又要从中读取数据时，它才被迫等待。

缓冲的分类：

• 块缓冲（block-oriented buffering）
• 字符缓冲（stream-oriented buffering）

这里的缓冲分类，对应我们的外围设备中的块设备和字符设备，接下来我们会具体讲不同缓冲区的特点。

单缓冲（Single Buffer）

1. 基于块的单缓冲

需要提前读，但是每次只能读一块数据，这样到下次进程需要，直接从缓冲区取就行

C是calculate的简写，M是move，T是transfer
这里我们了解一下C,T,M的具体含义

• T代表数据从设备上传输到系统缓冲区的时间
• M代表进程从系统缓冲区读取数据到工作/用户区的时间（视为访存）
• C代表的是进程实际对数据的运算加工的时间

对C和M进行比较，可以看出该进程的类型（如果 C >> M，是CPU型，反之是I/O型进程）
2. 基于字符流的单缓冲

字符终端，键盘/显示器一般是行缓冲（输入或者输出的过程中遇到换行符时，才执行真正的输入输出操作），某些特殊设备也可以基于字节缓冲

双缓冲（Double Buffer）

由于 M<< T，M 就忽略不计，实际上不一定满足

• 当C<=T时，max[C,T] = T，也就是说设备的传输时间大于CPU计算时间，此时CPU快速消耗缓冲区数据，外设就可以源源不断的给缓冲区提供数据，即保证了设备的连续工作
• 反之，CPU计算时间较长，那么多缓冲可以保证进程输入或者输出数据在CPU计算完成前，也就是进程不需要一直等待I/O提供数据，即保证进程不等I/O

PS：当 M 不远小于 T 的时候，需要考虑 M 的时间，此时要放在 C 这边，即处理一个数据块的平均耗时是 Max（T, C+M）

循环缓冲（Circular Buffer）

• 不止一个缓冲区
• 每一个缓冲区是一个独立的单元
• 常见于I/O需要与进程保持同步的时候

缓冲池（Buffer Pool）

e.g., Linux中的循环缓冲

这张图片是关于早期 Linux 系统（特别是 LINUX 0.1X 版本）的内存管理和启动过程的视觉说明。图中详细展示了系统内存从 0 到 16M（兆字节）的分配和利用情况

空闲列表具体实现使用的是结构体数组，通过指针串成了双向的循环列表，每一个结构体有一个指向缓冲块的指针。

使用hash表结构，用一个散列数组将每一个已经分配的缓冲列表串起来
e.g., 字符缓冲

这里可以对照了解一下hello.c的执行全过程，不再详细叙述。