「缓冲」缓冲管理

缓冲

为了缓和cpu与I/O设备速度不匹配的矛盾，提高它们之间的并行性，在现代计算机系统中，几乎所有的I/O设备在与CPU交换数据时，都用了缓冲区。缓冲管理的主要职责是组织好这些缓冲区，并向进程提供获得和释放缓冲区的手段。

缓冲机制的作用：1）缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾 2）减少对CPU 的中断频率 3）提高CPU和I/O设备的并行性

可以通过下面这个例子分析缓冲区对CPU中断频率和响应时间的影响。

例子：在一个远程通信系统中，在本地接收从远程终端发来的数据，速率为100kb/s。

1）对于一位缓冲

CPU中断频率为100kb/1b=100k，CPU响应时间为10us。

2）对于一个8缓冲区

设备可以等到8位缓冲区填充完后再向CPU发出中断，所以CPU中断频率为100kb/8b=12.5k

当缓冲区填满时，不能再接受下一位的输入，所以CPU的响应时间必须是1b/100kb=10us。

3）对于两个8位缓冲区

设备可以等到1号8位缓冲区填充完后再向CPU发出中断，所以CPU中断频率为100kb/8b=12.5k

当1号8位缓冲区填满时，可以将本区内容传递至2号缓冲区进行送内存操作，而1号缓冲区继续接受下8位数据，所以CPU的响应时间必须是8b/100kb=80us。

缓冲的实现机制：

按照系统中设置的缓冲区个数及对缓冲区的组织方式，缓冲区的实现机制分为单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池机制。

1）单缓冲

在块设备输入数据的过程中，首先把磁盘数据送到缓冲区，花费的时间为Ts，（简记为Ts过程）

然后把操作系统缓冲区的数据送到用户区，花费的时间为Tm，（简记为Tm过程）

最后用户进程对这批数据进行计算，花费的时间为Tc。（简记为Tc过程）

当Tc过程与Tm过程操作同一块缓冲区时，这两个操作不能并行（读写锁），Ts过程和Tm一直都不能并行

单缓冲的情况如下：

当Ts>Tc，（上图）主要是Tm与Ts不能并行，因此总时间T=(n*(Ts+Tm)+Tc)/n=Ts+Tm

当Ts<Tc，（上图）主要是Tm与Tc不能并行，因此总时间T=(n*(Tc+Tm)+Ts)/n=Tc+Tm

综上，单缓冲下总时间T=max(Ts+Tc)+Tm

2）

双缓冲条件下，Ts过程与Tm过程可以并行，Tm过程与Tc过程不能并行

当Ts>Tc时，（上图）由于Tm<<Tc且Tm<<Ts,所以T=(n*Ts+Tm+Tc)/n=Ts=max(Tc,Ts)

当Ts<Tc时，Tm与Tc不能并行，T=(n*(Tm+Tc)+Ts)/n=Tm+Tc=max(Tc,Ts)+Tm,但Ts<Tc这种情况非常少，所以一般做题时填双缓冲的时间都填Ts>Tc情况下的max(Tc,Ts)

综上，双缓冲时间为max(Tc,Ts)

3）循环缓冲

相比双缓冲区，增加了缓冲区的数量。对于多缓冲区，将它们组织成循环缓冲的形式。

4）缓冲池

为了提高缓冲区的利用率，目前广泛采用公用缓冲池机制。在缓冲池中设置多个缓冲区，可供若干个进程共享。

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