為了緩和CPU與I/O設備速度不匹配的矛盾，提高它們之間的并行性，在現代計算機系統中，幾乎所有的I/O設備在與CPU交換數據時，都用了緩沖區。緩沖管理的主要職責是組織好這些緩沖區，并向進程提供獲得和釋放緩沖區的手段。

緩沖機制的作用：1）緩和CPU和I/O設備間速度不匹配的矛盾 2）減少對CPU 的中斷頻率 3）提高CPU和I/O設備的并行性

可以通過下面這個例子分析緩沖區對CPU中斷頻率和響應時間的影響。

例子：在一個遠程通信系統中，在本地接收從遠程終端發來的數據，速率為100kb/s。

1）對于一位緩沖

CPU中斷頻率為100kb/1b=100k，CPU響應時間為10us。

2）對于一個8緩沖區

設備可以等到8位緩沖區填充完后再向CPU發出中斷，所以CPU中斷頻率為100kb/8b=12.5k

當緩沖區填滿時，不能再接受下一位的輸入，所以CPU的響應時間必須是1b/100kb=10us。

3）對于兩個8位緩沖區

設備可以等到1號8位緩沖區填充完后再向CPU發出中斷，所以CPU中斷頻率為100kb/8b=12.5k

當1號8位緩沖區填滿時，可以將本區內容傳遞至2號緩沖區進行送內存操作，而1號緩沖區繼續接受下8位數據，所以CPU的響應時間必須是8b/100kb=80us。

緩沖的實現機制：

按照系統中設置的緩沖區個數及對緩沖區的組織方式，緩沖區的實現機制分為單緩沖、雙緩沖、循環緩沖、緩沖池機制。

1）單緩沖

在塊設備輸入數據的過程中，首先把磁盤數據送到緩沖區，花費的時間為Ts，（簡記為Ts過程）

???????????????????????????????????????????????????然后把操作系統緩沖區的數據送到用戶區，花費的時間為Tm，（簡記為Tm過程）

???????????????????????????????????????????????????最后用戶進程對這批數據進行計算，花費的時間為Tc。（簡記為Tc過程）

當Tc過程與Tm過程操作同一塊緩沖區時，這兩個操作不能并行（讀寫鎖），Ts過程和Tm一直都不能并行

單緩沖的情況如下：

當Ts>Tc，（上圖）主要是Tm與Ts不能并行，因此總時間T=(n*(Ts+Tm)+Tc)/n=Ts+Tm

當Ts<Tc，（上圖）主要是Tm與Tc不能并行，因此總時間T=(n*(Tc+Tm)+Ts)/n=Tc+Tm

綜上，單緩沖下總時間T=max(Ts+Tc)+Tm

2）

雙緩沖條件下，Ts過程與Tm過程可以并行，Tm過程與Tc過程不能并行

當Ts>Tc時，（上圖）由于Tm<<Tc且Tm<<Ts,所以T=(n*Ts+Tm+Tc)/n=Ts=max(Tc,Ts)

當Ts<Tc時，Tm與Tc不能并行，T=(n*(Tm+Tc)+Ts)/n=Tm+Tc=max(Tc,Ts)+Tm,但Ts<Tc這種情況非常少，所以一般做題時填雙緩沖的時間都填Ts>Tc情況下的max(Tc,Ts)

綜上，雙緩沖時間為max(Tc,Ts)
3）循環緩沖

相比雙緩沖區，增加了緩沖區的數量。對于多緩沖區，將它們組織成循環緩沖的形式。

4）緩沖池

為了提高緩沖區的利用率，目前廣泛采用公用緩沖池機制。在緩沖池中設置多個緩沖區，可供若干個進程共享。

參考博客：https://blog.csdn.net/a649339266/article/details/77836813

總結

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