缓冲区简介

文件缓冲区是用以暂时存放读写期间的文件数据而在内存区预留的一定空间。通过磁盘缓存来实现，磁盘缓存本身并不是一种实际存在的存储介质，它依托于固定磁盘，提供对主存储器存储空间的扩充，即利用主存中的存储空间， 来暂存从磁盘中读出(或写入)的信息。 主存也可以看做是辅存的高速缓存， 因为，辅存中的数据必须复制到主存方能使用；反之，数据也必须先存在主存中，才能输出到辅存。

一个文件的数据可能出现在存储器层次的不同级别中，例如，一个文件数据通常被存储在辅存中(如硬盘)，当其需要运行或被访问时，就必须调入主存，也可以暂时存放在主存的磁盘高速缓存中。大容量的辅存常常使用磁盘，磁盘数据经常备份到磁带或可移动磁盘组上，以防止硬盘故障时丢失数据。有些系统自动地把老文件数据从辅存转储到海量存储器中，如磁带上，这样做还能降低存储价格。

缓冲的引入

在设备管理中，引入缓冲区的主要原因可归结为以下几点：

(1) 缓和 CPU 与 I/O 设备间速度不匹配的矛盾。事实上，凡在数据到达速率与其离去速率不同的地方，都可设置缓冲区，以缓和它们之间速率不匹配的矛盾。众所周知，CPU的运算速率远远高于 I/O 设备的速率，如果没有缓冲区，则在输出数据时，必然会由于打印机的速度跟不上而使 CPU 停下来等待；然而在计算阶段，打印机又空闲无事。显然，如果在打印机或控制器中设置一缓冲区，用于快速暂存程序的输出数据，以后由打印机“慢慢地”从中取出数据打印，这样，就可提高 CPU 的工作效率。类似地，在输入设备与 CPU 之间也设置缓冲区，也可使 CPU 的工作效率得以提高。

(2) 减少对 CPU 的中断频率，放宽对 CPU中断响应时间的限制。在远程通信系统中，如果从远地终端发来的数据仅用一位缓冲来接收，则必须在每收到一位数据时便中断一次 CPU， 这样， 对于速率为 9.6 Kb/s 的数据通信来说， 就意味着其中断 CPU的频率也为 9.6 Kb/s， 即每 100 μs 就要中断 CPU 一次， 而且 CPU 必须在 100 μs 内予以响应，否则缓冲区内的数据将被冲掉。倘若设置一个具有 8 位的缓冲(移位)寄存器， 则可使 CPU 被中断的频率降低为原来的 1/8； 若再设置一个 8 位寄存器， 则又可把 CPU 对中断的响应时间放宽到 800 μs。

(3) 提高CPU和 I/O 设备之间的并行性。缓冲的引入可显著地提高 CPU 和 I/O 设备间的并行操作程度，提高系统的吞吐量和设备的利用率。例如，在 CPU 和打印机之间设置了缓冲区后，便可使 CPU 与打印机并行工作。

缓冲区机制

根据应用程序对文件的访问方式，即是否存在缓冲区，对文件的访问可以分为带缓冲区的操作和非缓冲区的文件操作：

a） 带缓冲区文件操作：高级标准文件I/O操作，将会在用户空间中自动为正在使用的文件开辟内存缓冲区。

b） 非缓冲区文件操作：低级文件I/O操作，读写文件时，不会开辟对文件操作的缓冲区，直接通过系统调用对磁盘进行操作(读、写等)，当然用于可以在自己的程序中为每个文件设定缓冲区。

两种文件操作的解释和比较

1、非缓冲的文件操作访问方式，每次对文件进行一次读写操作时，都需要使用读写系统调用来处理此操作，即需要执行一次系统调用，执行一次系统调用将涉及到CPU状态的切换，即从用户空间切换到内核空间，实现进程上下文的切换，这将损耗一定的CPU时间，频繁的磁盘访问对程序的执行效率造成很大的影响。

2、ANSI标准C库函数 是建立在底层的系统调用之上，即C函数库文件访问函数的实现中使用了低级文件I/O系统调用，ANSI标准C库中的文件处理函数为了减少使用系统调用的次数，提高效率，采用缓冲机制，这样，可以在磁盘文件进行操作时，可以一次从文件中读出大量的数据到缓冲区中，以后对这部分的访问就不需要再使用系统调用了，即需要少量的CPU状态切换，提高了效率。

缓冲类型

单缓冲(Single Buffer)

图1

在单缓冲情况下，每当用户进程发出一 I/O 请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区，如图1所示。在块设备输入时，假定从磁盘把一块数据输入到缓冲区的时间为 T，操作系统将该缓冲区中的数据传送到用户区的时间为 M，而 CPU 对这一块数据处理(计算)的时间为 C。由于 T 和 C 是可以并行的(见图1 )，当 T>C 时，系统对每一块数据的处理时间为 M+T，反之则为 M+C，故可把系统对每一块数据的处理时间表示为Max(C，T)+M。