為了緩和CPU與I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾，提高它們之間的并行性，在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，幾乎所有的I/O設(shè)備在與CPU交換數(shù)據(jù)時(shí)，都用了緩沖區(qū)。緩沖管理的主要職責(zé)是組織好這些緩沖區(qū)，并向進(jìn)程提供獲得和釋放緩沖區(qū)的手段。

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

可以通過(guò)下面這個(gè)例子分析緩沖區(qū)對(duì)CPU中斷頻率和響應(yīng)時(shí)間的影響。

例子：在一個(gè)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中，在本地接收從遠(yuǎn)程終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，速率為100kb/s。

1）對(duì)于一位緩沖

CPU中斷頻率為100kb/1b=100k，CPU響應(yīng)時(shí)間為10us。

2）對(duì)于一個(gè)8緩沖區(qū)

設(shè)備可以等到8位緩沖區(qū)填充完后再向CPU發(fā)出中斷，所以CPU中斷頻率為100kb/8b=12.5k

當(dāng)緩沖區(qū)填滿時(shí)，不能再接受下一位的輸入，所以CPU的響應(yīng)時(shí)間必須是1b/100kb=10us。

3）對(duì)于兩個(gè)8位緩沖區(qū)

設(shè)備可以等到1號(hào)8位緩沖區(qū)填充完后再向CPU發(fā)出中斷，所以CPU中斷頻率為100kb/8b=12.5k

當(dāng)1號(hào)8位緩沖區(qū)填滿時(shí)，可以將本區(qū)內(nèi)容傳遞至2號(hào)緩沖區(qū)進(jìn)行送內(nèi)存操作，而1號(hào)緩沖區(qū)繼續(xù)接受下8位數(shù)據(jù)，所以CPU的響應(yīng)時(shí)間必須是8b/100kb=80us。

緩沖的實(shí)現(xiàn)機(jī)制：

按照系統(tǒng)中設(shè)置的緩沖區(qū)個(gè)數(shù)及對(duì)緩沖區(qū)的組織方式，緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制分為單緩沖、雙緩沖、循環(huán)緩沖、緩沖池機(jī)制。

1）單緩沖

在塊設(shè)備輸入數(shù)據(jù)的過(guò)程中，首先把磁盤(pán)數(shù)據(jù)送到緩沖區(qū)，花費(fèi)的時(shí)間為T(mén)s，（簡(jiǎn)記為T(mén)s過(guò)程）

???????????????????????????????????????????????????然后把操作系統(tǒng)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送到用戶區(qū)，花費(fèi)的時(shí)間為T(mén)m，（簡(jiǎn)記為T(mén)m過(guò)程）

???????????????????????????????????????????????????最后用戶進(jìn)程對(duì)這批數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，花費(fèi)的時(shí)間為T(mén)c。（簡(jiǎn)記為T(mén)c過(guò)程）

當(dāng)Tc過(guò)程與Tm過(guò)程操作同一塊緩沖區(qū)時(shí)，這兩個(gè)操作不能并行（讀寫(xiě)鎖），Ts過(guò)程和Tm一直都不能并行

單緩沖的情況如下：

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

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

綜上，單緩沖下總時(shí)間T=max(Ts+Tc)+Tm

2）

雙緩沖條件下，Ts過(guò)程與Tm過(guò)程可以并行，Tm過(guò)程與Tc過(guò)程不能并行

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

當(dāng)Ts<Tc時(shí)，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(shí)填雙緩沖的時(shí)間都填Ts>Tc情況下的max(Tc,Ts)

綜上，雙緩沖時(shí)間為max(Tc,Ts)
3）循環(huán)緩沖

相比雙緩沖區(qū)，增加了緩沖區(qū)的數(shù)量。對(duì)于多緩沖區(qū)，將它們組織成循環(huán)緩沖的形式。

4）緩沖池

為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛采用公用緩沖池機(jī)制。在緩沖池中設(shè)置多個(gè)緩沖區(qū)，可供若干個(gè)進(jìn)程共享。

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

總結(jié)

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