БУФЕРИЗАЦИЯ ОПЕРАЦИЙ ВВОДА-ВЫВОДА

Предположим, что пользовательскому процессу необходимо выполнить счи­тывание блоков данных длиной по 512 байт по одному с магнитной ленты. Дан­ные будут считаны в область внутри адресного пространства пользовательского процесса с виртуальным адресом от 1000 до 1511. Наиболее простой путь реше­ния этой задачи — выполнение команды ввода-вывода (что-то наподобие Read_Block [1000, tape]) и ожидание того момента, когда данные станут дос­тупными. Ожидание может быть либо активным, т.е. будет происходить непре­рывное тестирование состояния устройства, либо, что более практично, процесс будет приостановлен до прерывания.

При таком подходе имеются две проблемы. Первая представляет собой приос­тановку программы для ожидания выполнения относительно медленного ввода-вывода. Вторая проблема состоит в том, что такой подход к вводу-выводу мешает свопингу. Виртуальные адреса с 1000 по 1511 должны находиться в основной памя­ти при считывании блока (в противном случае часть данных будет утеряна). При ис­пользовании страничной организации памяти по крайней мере одна страница (содержащая целевой адрес) должна быть заблокирована в основной памяти. Поэто­му, несмотря на то что часть задания может быть выгружена на диск, полный сво­пинг процесса окажется невозможным, даже если это необходимо для операционной системы. Следует также учесть возможность взаимоблокировки. При генерации про­цессом команды ввода-вывода он приостанавливается и выгружается на диск до на­чала выполнения операции ввода-вывода. Далее процесс ожидает, когда будет вы­полнена запрошенная им операция ввода-вывода, которая, в свою очередь, ожидает, когда процесс будет возвращен в основную память, поскольку место в основной па­мяти для считывания данных попросту отсутствует. Для того чтобы избежать взаи­моблокировки, пользовательская память, вовлеченная в операцию ввода-вывода, должна быть заблокирована в основной памяти сразу же после выдачи запроса на ввод-вывод, даже если операция ввода-вывода ставится в очередь и может быть вы­полнена только через некоторое время.

То же рассуждение применимо и к операции вывода. Если блок пересы­лается из адресного пространства пользовательского процесса в модуль вво­да-вывода, то на время этой передачи процесс блокируется и не может быть выгружен на диск.

Чтобы уменьшить накладные расходы и увеличить эффективность, иногда удобно выполнить чтение данных заранее, до реального запроса (а запись дан­ных — немного позже реального запроса). Эта методика известна как буфериза­ция. В данном разделе мы рассмотрим некоторые схемы буферизации, поддер­живаемые операционными системами для повышения производительности.

При рассмотрении различных методов буферизации важно учитывать, что существуют устройства ввода-вывода двух типов: блочно-ориентированные и поточно-ориентированного. Блочно-ориентированные устройства сохраняют информацию блоками, обычно фиксированного размера, и выполняют переда­чу данных поблочно. Как правило, при этом можно ссылаться на данные с ис­пользованием номера блока. Диски и магнитные ленты относятся к блочно-ориентированным устройствам ввода-вывода. Поточно-ориентированные уст­ройства выполняют передачу данных в виде неструктурированных потоков байтов. К этой группе устройств относятся терминалы, принтеры, коммуника­ционные порты, манипулятор "мышь" и другие указывающие устройства, а также большинство устройств, не являющихся внешними запоминающими устройствами.