OS知识点汇总（考研用）——第五章：输入/输出（I/O）管理

分手后的思念是犯贱 2023-10-06 14:53 147阅读 0赞

## OS知识点汇总（考研用）——第五章：输入/输出（I/O）管理 ##

本文参考于《2021年操作系统考研复习指导》（王道考研），《计算机操作系统教程》  
**思维导图：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

#### 文章目录 ####

*  OS知识点汇总（考研用）——第五章：输入/输出（I/O）管理
 *   *  5.输入/输出（I/O）管理
     *   *  5.1 I/O管理概述
         *   *   5.1.1 I/O设备
             *   *    1.按传输速率分类
                 *    2.按信息交换的单位分类
             *   5.1.2 I/O控制方式
             *   *    1.程序直接控制方式
                 *    2.中断驱动方式
                 *    3.DMA方式
                 *    4.通道控制方式
             *   5.1.3 I/O子系统的层次结构
         *  5.2 I/O核心子系统
         *   *   5.2.1 I/O子系统概述
             *   5.2.2 I/O调度概念
             *   5.2.3 高速缓存与缓冲区
             *   *    1.磁盘高速缓存（Disk Cache）
                 *    2.缓冲区
                 *    3.高速缓存与缓冲区的对比
             *   5.2.4 设备分配与回收
             *   *    1.设备分配概述
                 *    2.设备分配的数据结构
                 *    3.设备分配的策略
                 *    4.设备分配的安全性
                 *    5.逻辑设备名到物理设备名的映射
             *   5.2.5 SPOOLing技术（假脱机技术）
             *   *    1.输入井和输出井
                 *    2.输入缓冲区和输出缓冲区
                 *    3.输入进程和输出进程

### 5.输入/输出（I/O）管理 ###

#### 5.1 I/O管理概述 ####

I/O管理要完成的功能有：  
  （1）状态跟踪  
  要能实时掌握外部设备的状态  
  （2）设备存取  
  要实现对设备的存取操作  
  （3）设备分配  
  在多用户环境下，负责设备的分配与回收  
  （4）设备控制  
  包括设备的驱动、完成和故障的中断处理

#####  5.1.1 I/O设备 #####

计算机系统中的I/O设备按使用特性可分为以下类型：  
  （1）人机交互类外部设备  
  用于与计算机用户之间交互的设备，如打印机、显示器、鼠标、键盘等。这类设备的数据交换速度相对较慢，通常是以字节为单位进行数据交换的。  
  （2）存储设备  
  用于存储程序和数据的设备，如磁盘、磁带、光盘等。这类设备用于数据交换，速度较快，通常是以多字节组成的块为单位进行数据交换  
  （3）网络通信设备  
  用于与远程设备通信的设备，如各种网络接口、调制解调器等。其速度介于前两类设备之间。网络通信设备在使用和管理上与前两类设备也有很大不同。

I/O设备还可以按以下方法分类：

######   1.按传输速率分类 ######

（1）低速设备  
  传输速率仅为每秒几字节到数百字节的一类设备，如键盘、鼠标等  
  （2）中速设备  
  传输速率为每秒数千字节至数万字节的一类设备，如行式打印机、激光打印机等  
  （3）高速设备  
  传输速率在数百千字节至千兆字节的一类设备，如磁带机、磁盘机、光盘机等

######   2.按信息交换的单位分类 ######

（1）块设备  
  由于信息的存取总是以数据块为单位的，所以存储信息的设备称为块设备。它属于有结构设备，如磁盘等。磁盘设备的基本特征是传输速率较高、可寻址，即对它可随机地读/写任一块  
  （2）字符设备  
  用于数据输入/输出的设备为字符设备，因为其传输的基本单位是字符。它属于无结构类型，如交互式终端机、打印机等。它们的基本特征是传输速率低、不可寻址，并且在输入/输出时常采用中断驱动方式

#####  5.1.2 I/O控制方式 #####

设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或处理机之间的数据传送。外围设备和内存之间的输入/输出控制方式有4种：

######   1.程序直接控制方式 ######

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读取一个字的数据。对读入的每个字，CPU需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在I/O控制器的数据寄存器中。在程序直接控制方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低速性，致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成了CPU资源的极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为在CPU中未采用中断机构，使I/O设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。  
  在程序直接控制方式中，由于CPU和I/O设备只能串行工作，使得CPU的利用率相当低

######   2.中断驱动方式 ######

中断驱动方式的思想是，允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU，使得其向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
  从I/O控制器的角度来看，I/O控制器从CPU接收一个读命令，然后从外围设备读数据。一旦数据读入该I/O控制器的数据寄存器，便通过控制线给CPU发出一个中断信号，表示数据已准备好，然后等待CPU请求该数据。I/O控制器收到CPU发出的取数据请求后，将数据放到数据总线上，传到CPU的寄存器中。至此，本次I/O操作完成，I/O控制器又可开始下一次I/O操作。  
  从CPU的角度来看，CPU发出读命令，然后保存当前运行程序的上下文（现场，包括程序计数器及处理机寄存器），转去执行其他程序。在每个指令周期的末尾，CPU检查中断。当有来自I/O控制器的中断时，CPU保存当前正在运行程序的上下文，转去执行中断处理程序以处理该中断。这时，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到寄存器，并存入主存。接着，CPU恢复发出I/O命令的程序（或其他程序）的上下文，然后继续运行。

中断驱动方式比程序直接控制方式有效，但由于数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间的传输都必须经过CPU，这就导致了中断驱动方式仍然会消耗较多的CPU时间。

######   3.DMA方式 ######

在中断驱动方式中，I/O设备与内存之间的数据交换必须要经过CPU中的寄存器，所以速度还是受限，而DMA（直接存储器存取）方式的基本思想是在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底“解放”CPU。DMA方式的特点如下：  
  （1）基本单位是数据块  
  （2）所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反  
  （3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的

下图所示为DMA控制器的组成：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
  要在主机与控制器之间实现成块数据的直接交换，须在DMA控制器中设置如下4类寄存器：  
  （1）命令/状态寄存器CR  
  用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制信息，或设备的状态  
  （2）内存地址寄存器MAR  
  在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。  
  （3）数据寄存器DR  
  用于暂存从设备到内存或从内存到设备的数据  
  （4）数据计数器DC  
  存放本次要传送的字（节）数  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
  如上图所示，DMA方式的工作过程是：CPU接收到I/O设备的DMA请求时，它给I/O控制器发出一条命令，启动DMA控制器，然后继续其他工作。之后CPU就把控制操作委托给DMA控制器，由该控制器负责处理。DMA控制器直接与存储器交互，传送整个数据块，每次传送一个字，这个过程不需要CPU参与。传送完成后，DMA控制器发送一个中断信号给处理器。因此只有在传送开始和结束时才需要CPU的参与。  
  DMA控制方式与中断驱动方式的主要区别是，中断驱动方式在每个数据需要传输时中断CPU，而DMA控制方式则是在所要求传送的一批数据全部传送结束时才中断CPU；此外，中断驱动方式数据传送是在中断处理时由CPU控制完成的，而DMA控制方式则是在DMA控制器的控制下完成的。

######   4.通道控制方式 ######

I/O通道是指专门负责输入/输出的处理机。I/O通道方式是DMA方式的发展，它可以进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读（或写）为单位的干预，减少为对一组数据块的读（或写）及有关控制和管理为单位的干预。同时，又可以实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。  
  例如，当CPU要完成一组相关的读（或写）操作及有关控制时，只需向I/O通道发送一条I/O指令，以给出其所要执行的通道程序的首地址和要访问的I/O设备，通道接到该指令后，执行通道程序便可完成CPU指定的I/O任务，数据传送结束时向CPU发中断请求。  
  I/O通道与一般处理机的区别是：通道指令的类型单一，没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，也就是说通道与CPU共享内存。  
  I/O通道与DMA方式的区别是：DMA方式需要CPU来控制传输的数据块大小、传输的内存位置，而通道方式中这些信息是由通道控制的。另外，每个DMA控制器对应一台设备与内存传递数据，而一个通道可以控制多台设备与内存的数据交换。

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用一个例子类比以上四种I/O控制方式：  
  想象一位客户要去裁缝店做一批衣服的情形：  
  采用程序直接控制时，裁缝没有客户的联系方式，客户必须每隔一段时间去裁缝店看看裁缝把衣服做好了没有，这就浪费了客户不少的时间  
  采用中断驱动方式时，裁缝有客户的联系方式，每当他完成一件衣服后，给客户打一个电话，让客户去拿，与程序直接控制能省去客户不少麻烦，但每完成一件衣服就让客户去拿一次，仍然比较浪费客户的时间。  
  采用DMA方式时，客户花钱雇一位单线秘书，并向秘书交代好把衣服放在哪里（存放仓库），裁缝要联系就直接联系秘书，秘书负责把衣服取回来并放在合适的位置，每处理完100件衣服，秘书就要给客户报告一次（大大节省了客户的时间）  
  采用通道方式时，秘书拥有更高的自主权，与DMA方式相比，他可以决定把衣服存放在哪里，而不需要客户操心。而且，何时向客户报告，是处理完100件衣服就报告，还是处理完10000件衣服才报告，秘书是可以决定的。客户有可能在多个裁缝那里订了货，一位DMA类的秘书只能负责与一位裁缝沟通，但通道类秘书却可以与多名裁缝进行沟通。

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#####  5.1.3 I/O子系统的层次结构 #####

I/O软件涉及的面非常广，往下与硬件有着密切的联系，往上又与用户直接交互，它与进程管理、存储器管理、文件管理等都存在着一定的联系，即它们都可能需要I/O软件来实现I/O操作  
  在I/O软件中普遍采用层次式结构，将系统输入/输出功能组织成一系列的层次，每层都利用其下层提供的服务，完成输入/输出功能中的某些子功能，并屏蔽这些功能实现的细节，向高层提供服务。  
  一种层次划分如图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
  （1）用户层I/O软件  
  实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。  
  一般而言，大部分的I/O软件都在OS内部，但仍有一小部分在用户层，包括与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的一些程序。用户层软件必须通过一组系统调用来获取OS服务。

（2）设备独立性软件  
  用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护及设备分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。  
  设备独立性也称设备无关性，设备独立性是指用户在编程序时使用的设备与实际设备无关。一个程序应独立于分配给它的某类设备的具体设备，即在用户程序中只指明I/O使用的设备类型即可。设备独立性使得应用程序独立于具体使用的物理设备。为实现设备独立性而引入了逻辑设备 和物理设备 这两个概念。在应用程序中，使用逻辑设备名来请求使用某类设备；而在系统实际执行时，必须将逻辑设备名映射成物理设备名使用。  
  使用逻辑设备名的好处是：①增加设备分配的灵活性；②易于实现I/O重定向，所谓I/O重定向，是指用于I/O操作的设备可以更换（即重定向），而不必改变应用程序。 ③方便用户编程、使程序运行不受具体机器环境的限制、便于程序移植等  
  为了实现设备独立性，必须再在驱动程序之上设置一层设备独立性软件。设备独立性软件的主要功能可分为以下两个方面：  
  ①执行所有设备的公有操作  
  包括：对设备的分配与回收；将逻辑设备名映射为物理设备名； 对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；缓冲管理；差错控制；提供独立于设备的大小统一的逻辑块，屏蔽设备之间信息交换单位大小和传输速率的差异。  
  ②向用户层（或文件层）提供统一接口  
  无论何种设备，它们向用户所提供的接口应是相同的。例如，对各种设备的读/写操作，在应用程序中都统一使用read/write命令等。

（3）设备驱动程序  
  设备驱动程序指与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。  
  通常，每类设备配置一个设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，常以进程形式存在。设备驱动程序向上层用户提供一组标准接口，设备具体的差别被设备驱动程序所封装，用于接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read和write命令，转换为具体要求后，发送给设备控制器，控制I/O设备工作；它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件，从而为I/O内核子系统隐藏设备控制器之间的差异。

（4）中断处理程序  
  用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完并恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程  
  中断处理层的主要任务有：进行进程上下文的切换，对处理中断信号源进行测试，读取设备状态和修改进程状态等。由于中断处理与硬件紧密相关，对用户而言，应尽量加以屏蔽，因此应放在OS的底层，系统的其余部分尽可能少地与之发生联系。

（5）硬件设备  
  I/O设备通常包括一个机械部件和一个电子部件。为了达到设计的模块性和通用性，一般将其分开：电子部件称为设备控制器（或适配器）， 在PC中，通常是一块插入主板扩充槽的印制电路板；机械部件则是设备本身。

设备控制器通过寄存器与CPU通信，在某些计算机上，这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，寄存器独立编址。 OS通过向控制器寄存器写命令字来执行I/O功能。 控制器收到一条命令后，CPU可以转向进行其他工作，而让设备控制器自行完成具体的I/O操作。当命令执行完毕后，控制器发出一个中断信号，OS重新获得CPU的控制权并检查执行结果，此时，CPU仍旧从控制器寄存器中读取信息来获得执行结果和设备的状态信息。

设备控制器的主要功能如下：  
  （1）接收和识别CPU或通道发来的命令，如磁盘控制器能接收读、写、查找等命令  
  （2）实现数据交换，包括设备和控制器之间的数据传输；通过数据总线或通道，控制器和主存之间的数据传输。  
  （3）发现和记录设备及自身的状态信息，供CPU处理使用  
  （4）设备地址识别

设备控制器的组成：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
  设备控制器包含以下组成部分：  
  ①设备控制器与CPU的接口  
  该接口有三类信号线：数据线、地址线和控制线。数据线通常与两类寄存器相连：数据寄存器（存放从设备送来的输入数据或从CPU送来的输出数据） 和控制/状态寄存器（存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息）  
  ②设备控制器与设备的接口  
  设备控制器连接设备需要相应数量的接口，一个接口连接一台设备。每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。  
  ③I/O控制逻辑  
  用于实现对设备的控制。它通过一组控制线与CPU交互，对从CPU收到的I/O命令进行译码。CPU启动设备时，将启动命令发送给控制器，同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的I/O逻辑对地址进行译码，并相应地对所选设备进行控制。

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各层次在一次命令中的出现情况：  
  例如，当用户要读取某设备的内容时，通过OS提供的read命令接口，这就经过了用户层  
  OS提供给用户使用的接口，一般是统一的通用接口，也就是几乎每个设备都可以响应的统一命令，如read命令，用户发出的read命令，首先经过设备独立层进行解析，然后再交往下层。  
  接下来，不同类型的设备对read命令的行为会有所不同，如磁盘接收read命令后的行为与打印机接收read命令后的行为是不同的。因此，需要针对不同的设备，把read命令解析成不同的指令，这就经过了设备驱动层。  
  命令解析完毕后，需要中断正在运行的进程，转而执行read命令，这就需要中断处理程序。  
  最后，命令真正抵达硬件设备，硬件设备的控制器按照上层传达的命令操控硬件设备，完成相应的功能

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例题：（）用作连接大量的低速或中速I/O设备  
  A.数据选择通道  B.字节多路通道  
  C.数据多路通道  D.I/O处理机

答案：B；  
  字节多路通道：  
  字节多路通道是一种简单的共享通道，主要用于连接控制多台低速外设，以字节交叉方式传送数据，每个设备分时占用一个很短的时间片，不同的设备在各自分得的时间片内与通道建立连接，实现数据的传输。  
  字节多路通道通常含有许多非分配型子通道，其数量可达几十到几百个，每个通道连接一台I/O设备，并控制该设备的I/O操作。这些子通道按时间片轮转方式共享主通道。各个通道循环使用主通道，各个通道每次完成其I/O设备的一个字节的交换，然后让出主通道的使用权。这样，只要字节多路通道扫描每个子通道的速率足够快，而连接到子通道上的设备的速率不太高时，便不至于丢失信息。

数据选择通道：  
  在物理上可连接多个设备，但这些设备不能同时工作，在某一个时间段内通道只能选择一个设备进行工作。选择通道主要用于连接高速外围设备，如磁盘、磁带等，信息以成组方式高速传输

数据多路通道：  
  连接控制多个高速外设并以成组交叉方式传送数据的通道称为数据多路通道，是对数据选择通道的一种改进，当某个设备进行数据传送时，通道只为该设备提供服务；当设备在执行寻址等控制性动作时，通道暂时断开与该设备的连接，挂起该设备的通道程序，而转去为其他设备提供服务，即执行其他设备的通道程序。

例题：在下列问题中，（）不是设备分配中应考虑的问题  
  A.及时性  B.设备的固有属性  
  C.设备独立性  D.安全性

答案：A；设备的固有属性决定了设备的使用方式；设备独立性可以提高设备分配的灵活性和设备的利用率；设备安全性可以保证分配设备时不会导致永久阻塞。设备分配时一般不需要考虑及时性

例题：将系统中的每台设备按某种原则统一进行编号，这些编号作为区分硬件和识别设备的代号，该编号称为设备的（）  
  A.绝对号  B.相对号  
  C.类型号  D.符号

答案：A；设备绝对号：对每一台设备设一个编号便于区分识别；设备相对号：用户对自己需要使用的若干台同类设备给出的编号

例题：关于通道、设备控制器和设备之间的关系，以下叙述中正确的是（）  
  A.设备控制器和通道可以分别控制设备  
  B.对于同一组输入/输出命令，设备控制器、通道和设备可以并行工作  
  C.通道控制设备控制器、设备控制器控制设备工作  
  D.以上答案均不对

答案：C；

例题：有关设备管理的叙述中，不正确的是（）  
  A.通道是处理输入/输出的软件  
  B.所有设备的启动工作都由系统统一来做  
  C.来自通道的I/O中断事件由设备管理负责处理  
  D.编制好的通道程序是存放在主存中的

答案：A；通道是特殊的处理器，而不是软件

例题：系统将数据从磁盘读到内存的过程包括以下操作：  
  1.DMA控制器发出中断请求  
  2.初始化DMA控制器并启动磁盘  
  3.从磁盘传输一块数据到内存缓冲区  
  4.执行“DMA结束”中断服务程序

正确的执行顺序是

答案：2,3，1,4

例题：DMA方式与中断控制方式的主要区别是什么

答案：（1）中断控制方式在每个数据传送完成后中断CPU，而DMA控制方式则在所要求传送的一批数据全部传送结束时中断CPU  
  （2）中断控制方式的数据传送在中断处理时由CPU控制完成，而DMA控制方式则在DMA控制器的控制下完成。不过，在DMA控制方式中，数据传送的方向、存放数据的内存始址及传送数据的长度等仍然由CPU控制  
  （3）DMA方式以存储器为核心，中断控制方式以CPU为核心。因此DMA方式能与CPU并行工作。  
  （4）DMA方式传输批量的数据，中断控制方式的传输则以字节为单位

例题：DMA方式与通道方式的主要区别是什么

答案：在DMA控制方式中，在DMA控制器控制下设备和主存之间可以成批地进行数据交换而不用CPU干预，这样既减轻了CPU的负担，又大大提高了I/O数据传送的速度。通道控制方式与DMA控制方式类似，也是一种以内存为中心实现设备与内存直接交换数据的控制方式。不过在通道控制方式中，CPU只需发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可以启动通道并使通道从内存中调出相应的通道程序执行。与DMA控制方式相比，通道控制方式所需的CPU干预更少，并且一个通道可以控制多台设备，进一步减轻了CPU的负担。另外，对通道来说，可以使用一些指令灵活改变通道程序，这一点DMA控制方式无法做到。

例题：在一个32位100MHz的单总线计算机系统中（每10ns一个周期），磁盘控制器使用DMA以40MB/s的速率从存储器中读出数据或向存储器写入数据。假设计算机在没有被周期挪用的情况下，在每个循环周期中读取并执行一个32位的指令。这样做，磁盘控制器使指令的执行速度降低了多少

答案：10%；DMA未启动时，指令执行速度为100MIPS，使用DMA后，降为90MIPS

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#### 5.2 I/O核心子系统 ####

#####  5.2.1 I/O子系统概述 #####

由于I/O设备种类繁多，功能和传输速率差异巨大，因此需要多种方法来进行设备控制。这些方法共同组成了OS内核的I/O子系统，它将内核的其他方面从繁重的I/O设备管理中解放出来。I/O核心子系统提供的服务主要有I/O调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机、设备保护和差错处理等。

#####  5.2.2 I/O调度概念 #####

I/O调度就是确定一个好的顺序来执行这些I/O请求。应用程序所发布的系统调用的顺序不一定总是最佳选择，所以需要I/O调度来改善系统整体性能，使进程之间公平地共享设备访问，减少I/O完成所需要的平均等待时间。  
  OS开发人员通过为每个设备维护一个请求队列来实现调度。当一个应用程序执行阻塞I/O系统调用时，该请求就加到相应设备的队列上。I/O调度会重新安排队列顺序，以改善系统总体效率和应用程序的平均响应时间。  
  I/O子系统还可使用主存或磁盘上的存储空间的技术，如缓冲、高速缓存、假脱机等来改善计算机效率。

#####  5.2.3 高速缓存与缓冲区 #####

######   1.磁盘高速缓存（Disk Cache） ######

OS中使用磁盘高速缓存技术来提高磁盘的I/O速度，对高速缓存复制的访问要比原始数据访问更为高效。例如，正在运行的进程的指令既存储在磁盘上，又存储在物理内存上，也被复制到CPU的二级和一级高速缓存中。  
  不过，磁盘高速缓存技术不同于通常意义下的介于CPU与内存之间的小容量高速存储器，而是指利用内存中的存储空间来暂存从磁盘读出的一系列盘块中的信息。 因此，磁盘高速缓存逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块。  
  高速缓存在内存中分为两种形式：一种是在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁盘高速缓存，大小固定；另一种是把未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时共享。

######   2.缓冲区 ######

在设备管理子系统中，引入缓冲区的目的主要如下：  
  （1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾  
  （2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制  
  （3）解决基本数据单元大小（即数据粒度）不匹配的问题  
  （4）提高CPU和I/O设备之间的并行性

其实现方法如下：  
  （1）采用硬件缓冲器  
  由于成本太高，除一些关键部件外，一般不采用硬件缓冲器  
  （2）采用缓冲区（位于内存区域）  
  缓冲区有一个特点，即当缓冲区的数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满后，才能从缓冲区把数据传出。  
  根据系统设置缓冲器的个数，缓冲技术可分为以下几种：

（1）单缓冲  
  在设备和处理机之间设置一个缓冲区。 设备和处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲区，然后需要数据的设备或处理机从缓冲区取走数据。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
  在块设备输入时，假定从磁盘把一块数据输入缓冲区的时间为T，OS将该缓冲区中的数据传送到用户区的时间为M，而CPU对这一块数据处理的时间为C。  
  在研究各种缓冲技术的每块数据的处理时间时，可假设一种初始状态，然后计算下一次到达相同状态时所需要的时间，就是处理一块数据所需要的时间。在单缓冲中，这种初始状态为：工作区是满的，缓冲区是空的。若无特殊说明，一般认为缓冲区的大小与工作区的大小相等。  
  设T>C,从初始状态开始，当工作区数据处理完后，时间为C，缓冲区还没充满，当缓冲区充满时，经历了时间T，停止再冲入数据，然后缓冲区向工作区传送数据，当工作区满了以后，缓冲区的数据同时也为空，用时为M，到达下一个开始状态，整个过程用时M+T；若T<C，同理，整个过程用时M+C。所以单缓冲区处理每块数据的用时为max（C,T）+M

（2）双缓冲  
  根据单缓冲的特点，CPU在传送时间M内处于空闲状态，因此引入双缓冲。I/O设备输入数据时先装填到缓冲区1，在缓冲区1填满后才开始装填缓冲区2，与此同时处理机可以从缓冲区1中取出数据放入用户进程处理，当缓冲区1中的数据处理完后，若缓冲区2已填满，则处理机又从缓冲区2中取出数据放入用户进程处理，而I/O设备又可以装填缓冲区1。 注意，必须等缓冲区2充满才能让处理机从缓冲区2取出数据。双缓冲机制提高了处理机和输入设备的并行操作的程度。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

设初始状态为：工作区为空，其中一个缓冲区（缓冲区2）满，另一个缓冲区（缓冲区1）空；  
  设T<C+M，缓冲区2开始向工作区传送数据，缓冲区1开始冲入数据，当工作区充满数据后，缓冲区2为空，时间为M，然后工作区开始处理数据，缓冲区1继续冲入数据，因为此时只有一个I/O设备，所以缓冲区2虽然为空，但不能冲入数据。当缓冲区1充满数据后，工作区的数据还未处理完毕，时间为T，当工作区数据处理完毕后，此时工作区为空，缓冲区1满，缓冲区2为空，达到下一个初始状态，用时C+M。  
  设T>C+M，缓冲区2开始向工作区传送数据，缓冲区1开始冲入数据，当工作区充满数据并处理完后，用时C+M，但缓冲区1的数据还未充满；当时间为T时，缓冲区1的数据充满，达到下一个初始状态  
  双缓冲区处理一块数据的用时为max（C+M，T）  
  若M+C<T，则可使块设备连续输入；若M+C>T，则可使CPU不必等待设备输入。  
  对于字符设备，若采用行输入方式，则采用双缓冲可使用户在输入第一行后，在CPU执行第一行中的命令的同时，用户可继续向第二缓冲区输入下一行数据。而单缓冲情况下则必须等待一行数据被提取完毕才可输入下一行的数据。

若两台机器之间通信仅配置了单缓冲，则它们在任意时刻都只能实现单方向的数据传输。例如，只允许把数据从A机传送到B机，或从B机传送到A机，而绝不允许双方同时向对方发送数据。为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置两个缓冲区，一个用作发送缓冲区，另一个用作接收缓冲区。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

（3）循环缓冲  
  包含多个大小相等的缓冲区，每个缓冲区中有一个链接指针指向下一个缓冲区，最后一个缓冲区指针指向第一个缓冲区，多个缓冲区构成一个环形。  
  循环缓冲用于输入/输出时，还需要有两个指针in和out。 对输入而言，首先要从设备接收数据到缓冲区中，in指针指向可以输入数据的第一个空缓冲区； 当运行进程需要数据时，从循环缓冲区中取一个装满数据的缓冲区，并从此缓冲区中提取数据，out指针指向可以提取数据的第一个满缓冲区。 输出则正好相反。

（4）缓冲池  
  由多个系统公用的缓冲区组成，缓冲区按其使用状况可以形成三个队列：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）和装满输出数据的缓冲队列（输出队列）。 还应具有4种缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区、用于收容输出数据的工作缓冲区及用于提取输出数据的工作缓冲区。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]  
  当输入进程需要输入数据时，便从空缓冲队列的队首摘下一个空缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区，然后把输入数据输入其中，装满后再将它挂到输入队列队尾。 当计算进程需要输入数据时，便从输入队列取得一个缓冲区作为提取输入工作缓冲区，计算进程从中提取数据，数据用完后再将其挂到空缓冲队列尾。 当计算进程需要输出数据时，便从空缓冲队列的队首取得一个空缓冲区，作为收容输出工作缓冲区，当其中装满输出数据后，再将它挂到输出队列队尾。当要输出时，由输出进程从输出队列中取得一个装满输出数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区，当数据提取完后，再将它挂到空缓冲队列的队尾。

######   3.高速缓存与缓冲区的对比 ######

高速缓存是可以保存数据拷贝的高速存储器，访问高速缓存比访问原始数据更高效，速度更快。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]

#####  5.2.4 设备分配与回收 #####

######   1.设备分配概述 ######

设备分配是指根据用户的I/O请求分配所需的设备。 分配的总原则是充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙碌，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁。从设备的特性来看，采用下述三种使用方式的设备分别称为独占设备、共享设备和虚拟设备  
  （1）独占式使用设备  
  指在申请设备时，若设备空闲，则将其独占，不再允许其他进程申请使用，一直等到该设备被释放才允许其他进程申请使用。 例如，打印机。  
  （2）分时式共享使用设备  
  独占式使用设备时，设备利用率很低，当设备没有独占使用的要求时，可以通过分时共享使用提高利用率。例如，对磁盘设备的I/O操作，各进程的每次I/O操作请求可以通过分时来交替进行  
  （3）以SPOOLing方式使用外部设备  
  SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On-Line）技术是在批处理OS时代引入的，即假脱机I/O技术。这种技术用于对设备的操作，实质上就是对I/O操作进行批处理。 SPOOLing技术实质上是一种以空间换时间的技术， 它与请求分页系统中的页面调度算法思想相反，页面调度是以时间换空间的技术。

######   2.设备分配的数据结构 ######

设备分配依据的主要数据结构有设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）和系统设备表（SDT）。  
  设备控制表（DCT）：可以认为，一个设备控制表就表征一个设备，而这个控制表中的表项就是设备的各个属性。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]  
  每个设备都分为机械部件和电子部件两部分，其中负责解析上层传达的命令并控制机械部件运作的是电子部件（控制器），所以每个DCT都需要一个表项来表示控制器，即需要一个指向控制器控制表COCT的指针 ，因此DCT与COCT有一 一对应的关系。  
  现代OS的I/O控制采用的都是通道控制。 设备控制器控制设备与内存交换数据，而设备控制器又需要请求通道为它服务， 因此每个COCT必定有一个表项存放指向相应通道控制表CHCT的指针，而一个通道可为多个设备控制器服务，因此CHCT中必定有一个指针，指向一个表，这个表上的信息表达的是CHCT提供服务的那几个设备控制器。CHCT与COCT是一对多的关系。

系统设备表（SDT）：整个系统只有一张SDT，它记录已连接到系统中的所有物理设备的情况，每个物理设备占一个表目。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 13]  
  由于在多道程序系统中，进程数多于资源数，会引起资源的竞争，因此要有一套合理的分配原则，主要考虑的因素有：I/O设备的固有属性、I/O设备的分配算法、I/O设备分配的安全性以及I/O设备的独立性。

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设备分配的过程：  
  （1）分配设备  
  首先根据I/O请求中的物理设备名查找系统设备表SDT，从中找出该设备的DCT，再根据DCT中的设备状态字段，可知该设备是否正忙。若忙，便将请求I/O进程的PCB挂到设备队列上；若空闲，则按照一定的算法计算设备分配的安全性，若安全则将设备分配给请求进程，否则仍将其PCB挂到设备队列上  
  （2）分配控制器  
  系统把设备分配给请求I/O的进程后，再到其DCT中找出与该设备连接的控制器的COCT，从COCT中的状态字段中可知该控制器是否忙碌。若忙，则将请求I/O进程的PCB挂到该控制器的等待队列上；若空闲，则将控制器分配给进程  
  （3）分配通道  
  在该COCT中又可找到与该控制器连接的通道的CHCT，再根据CHCT内的状态信息，可知该通道是否忙碌。若忙，则将请求I/O的进程挂到该通道的等待队列上；若空闲，则将该通道分配给进程。只有在上述三者都分配成功时，这次设备的分配才算成功。然后，便可启动该I/O设备进行数据传送。

为使独占设备的分配具有更强的灵活性，提高分配的成功率，可从以下两方面对基本的设备分配程序加以改进：  
  （1）增加设备的独立性  
  进程使用逻辑设备名请求I/O。这样，系统首先从SDT中找出第一个该类设备的DCT。若该设备忙，则又查找第二个该类设备的DCT。仅当所有该类设备都忙时，才把进程挂到该类设备的等待队列上；只要有一个该类设备可用，系统便进一步计算分配该设备的安全性  
  （2）考虑多通路情况  
  为防止I/O系统的"瓶颈"现象，通常采用多通路的I/O系统结构。此时对控制器和通道的分配同样要经过几次反复，即若设备（控制器）所连接的第一个控制器（通道）忙时，则应查看其所连接的第二个控制器（通道），仅当所有的控制器（通道）都忙时，此次的控制器（通道）分配才算失败，才把进程挂到控制器（通道）的等待队列上。而只要有一个控制器（通道）可用，系统便可将它分配给进程。

设备的分配过程中，先后分别访问的数据结构为SDT——>DCT——>COCT——>CHCT。要成功分配一个设备，必须要：1.设备可用；2.控制器可用；3.通道可用

--------------------

######   3.设备分配的策略 ######

（1）设备分配原则  
  设备分配应根据设备特性、用户要求和系统配置情况。分配的总原则是：既要充分发挥设备的使用效率，又要避免造成进程死锁，还要将用户程序和具体设备隔离开。  
  （2）设备分配方式  
  设备的分配方式有静态分配和动态分配两种。  
  静态分配主要用于对独占设备的分配，它在用户作业开始执行前，由系统一次性分配该作业所要求的全部设备、控制器、通道等。 一旦分配，这些设备、控制器和通道就一直为该作业所占用，直到该作业被撤销。 静态分配方式不会出现死锁，但设备的使用效率低。因此，静态分配方式并不符合分配的总原则。  
  动态分配在进程执行过程中根据执行需要进行。 当进程需要设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，由系统按照事先规定的策略给进程分配所需要的设备、I/O控制器，一旦用完，便立即释放。 动态分配方式有利于提高设备的利用率，但若分配算法使用不当，则有可能造成进程死锁。  
  （3）设备分配算法  
  常用的动态设备分配算法有先请求先分配、优先级高者优先等。

对于独占设备，既可以采用动态分配方式，又可以采用静态分配方式，但往往采用静态分配方式，即在作业执行前，将作业所要用的这一类设备分配给它。共享设备可被多个进程所共享，一般采用动态分配方式， 但在每个I/O传输的单位时间内只被一个进程所占有，通常采用先请求先分配和优先级高者优先的分配算法。

######   4.设备分配的安全性 ######

设备分配的安全性是指设备分配中应防止发生进程死锁  
  （1）安全分配方式  
  每当进程发出I/O请求后便进入阻塞态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。这样，一旦进程已经获得某种设备后便阻塞，不能再请求任何资源，而且在它阻塞时也不保持任何资源。优点是设备分配安全，缺点是CPU与I/O设备是串行工作的（对于同一进程而言）  
  （2）不安全分配方式  
  进程在发出I/O请求后继续运行，需要时又发出第二个、第三个I/O请求等。仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，才进入阻塞态。优点是一个进程可同时操作多个设备，从而迅速推进进程；缺点是这种设备分配有可能产生死锁。

######   5.逻辑设备名到物理设备名的映射 ######

为了提高设备分配的灵活性和设备的利用率，方便实现I/O重定向，引入了设备独立性。设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。  
  为了实现设备独立性，在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备，在系统中设置一张逻辑设备表（Logical Unit Table,LUT）,用于将逻辑设备名映射为物理设备名。 LUT表项包括逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址；当进程用逻辑设备名来请求分配设备时，系统为它分配相应的物理设备，并在LUT中建立一个表项，以后进程再利用逻辑设备名请求I/O操作时，系统通过查找LUT来寻找相应的物理设备和驱动程序。  
  在系统中可采取两种方式建立逻辑设备表：  
  （1）在整个系统中只设置一张LUT  
  所有进程的设备分配情况都记录在这张表中，因此不允许有相同的逻辑设备名，主要适用于单用户系统。  
  （2）为每个用户设置一张LUT。当用户登录时，系统便为该用户建立一个进程，同时也为之建立一张LUT，并把该表放入进程的PCB

#####  5.2.5 SPOOLing技术（假脱机技术） #####

为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性之间的矛盾，引入了脱机输入/输出技术。 该技术利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。 SPOOLing的意思是外部设备同时联机操作，又称假脱机输入/输出操作，是OS中采用的一项将独占设备改造成共享设备的技术。  
  SPOOLing系统的组成如图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 14]

######   1.输入井和输出井 ######

输入井和输出井是指在磁盘上开辟出的两个存储区域。输入井模拟脱机输入时的磁盘，用于收容I/O设备输入的数据。输出井模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户程序的输出数据。

######   2.输入缓冲区和输出缓冲区 ######

输入缓冲区和输出缓冲区是在内存中开辟的两个缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送到输出设备。

######   3.输入进程和输出进程 ######

输入进程模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区再送到输入井。当CPU需要输入数据时，直接将数据从输入井读入内存。输出进程模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备。  
  共享打印机是使用SPOOLing技术的一个实例，当用户进程请求打印输出时，SPOOLing系统同意为它打印输出，但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，而只为它做两件事：  
  （1）由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中  
  （2）输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上  
  SPOOLing系统的主要特点有：提高了I/O的速度；将独占设备改造为共享设备；实现了虚拟设备功能。  
  磁盘是一种高速设备，在与内存交换数据的速度上优于打印机、键盘、鼠标等中低速设备。若没有SPOOLing技术，CPU要向打印机输出要打印的数据，打印机的打印速度比较慢，CPU必须迁就打印机，在打印机把数据打印完后才能继续做其他的工作，浪费了CPU的不少时间。在SPOOLing技术下，CPU要打印机打印的数据可以先输出到磁盘的输出井中（这个过程由输出进程控制），然后做其他的事情。若打印机此时被占用，则SPOOLing系统就会把这个打印请求挂到等待队列上，待打印机有空时再把数据打印出来。向磁盘输出数据的速度比向打印机输出数据的速度快，因此就节省了时间。而它须开辟磁盘上的空间作为输入井和输出井，因此说SPOOLing技术是一种空间换时间的技术。

--------------------

例题：缓冲技术中的缓冲池在（）中  
  A.主存  B.外存  C.ROM  D.寄存器

答案：A；

例题：若I/O所花费的时间比CPU的处理时间短得多，则缓冲区（）  
  A.最有效  B.几乎无效  C.均衡  D.以上答案均不对

答案：B；缓冲区主要解决输入/输出速度比CPU处理的速度慢而造成数据积压的矛盾。所以当I/O花费的时间比CPU处理时间短得多时，缓冲区没有必要设置

例题：提高单机资源利用率的关键技术是（）  
  A.SPOOLing技术  B.虚拟技术  C.交换技术  D.多道程序设计技术

答案：D；在单机系统中，最关键的资源是处理器资源，最大化地提高处理器利用率，就是最大化地提高系统效率。

例题：SPOOLing系统由（）组成  
  A.预输入程序、井管理程序和缓输出程序  
  B.预输入程序、井管理程序和井管理输出程序  
  C.输入程序、井管理程序和输出程序  
  D.预输入程序、井管理程序和输出程序

答案：A；作业执行前用慢速设备将作业预先输入到后援存储器（如磁盘）的输入井中，称为 预输入；作业全部运行完毕，再从外部设备输出全部数据和信息，称为缓输出；

例题：用于设备分配的数据结构有哪些？它们之间的关系是什么？

答案：用于设备分配的数据结构有系统设备表SDT、设备控制表DCT、控制器控制表COCT和通道控制表CHCT  
  SDT整个系统中只有一张，它记录系统中全部设备的情况，是系统范围的数据结构。每个设备有一张DCT，系统为每个设备配置一张DCT，以记录本设备的情况。每个控制器有一张COCT，系统为每个控制器都设置一张用于记录本控制器情况的COCT。系统为每个通道配置一张CHCT，以记录通道情况。SDT的每个表目中有一个DCT指针，DCT中有一个COCT指针，COCT中有一个CHCT指针，CHCT中有指向与通道连接的控制器表首址的指针。

例题：输入/输出软件一般分为4个层次：用户层、与设备无关的软件层、设备驱动程序和中断处理程序。请说明以下各工作是在哪一层完成的  
  （1）为磁盘读操作计算磁道、扇区和磁头  
  （2）向设备寄存器写命令  
  （3）检查用户是否有权使用设备  
  （4）将二进制证书转换成ASCII码以便打印

答案：（1）和（2）都与具体的磁盘类型有关，因此为了让OS尽可能多地支持各种不同型号的设备，（1）和（2）应由厂商所编写的设备驱动程序完成。（3）应由与设备无关的OS完成。（4）应由用户层来完成，因为只有用户知道将二进制整数转换为ASCII码的格式

例题：一个串行线能以最大50000B/s的速度接收输入。数据平均输入速率是20000B/s。若用轮询来处理输入，不管是否有输入数据，轮询例程都需要3μs来执行。在下一个字节到达之前未从控制器中取走的字节将丢失。那么最大的安全的轮询时间间隔是多少

答案：17μs；

例题：一个SPOOLing系统由输入进程I、用户进程P、输出进程O、输入缓冲区、输出缓冲区组成。进程I通过输入缓冲区为进程P提供数据，进程P的处理结果通过输出缓冲区交给进程O输出。进程间数据交换以等长度的数据块为单位。这些数据块均存储在同一磁盘上。因此，SPOOLing系统的数据块通信原语保证始终满足i+o<=max，其中max为磁盘容量（以该数据块为单位），i为磁盘上输入数据块的总数，o为磁盘上输出数据块的总数。该SPOOLing系统运行时：只要有输入数据，进程I终究会将它放入输入缓冲区；只要输入缓冲区有数据块，进程P终究会读入、处理，并产生结果数据，写到输出缓冲区；只要输出缓冲区有数据块，进程O终究会输出它  
  请说明该SPOOLing系统在什么情况下死锁。请说明如何修正约束条件以避免死锁，同时仍允许输入数据块和输出数据块均存储在同一个磁盘上

答案：当磁盘上输入数据块总数i=max时，磁盘上输出数据块的总数o为0。此时，进程I发现输入缓冲区已满，所以不能再把输入数据放入缓冲区；进程P此时有一个处理完的数据， 打算把结果数据放入缓冲区，但也发现没有空闲的空间可以放结果数据，因为o=0，所以没有输出数据可以输出，于是进程O也无事可做。出现死锁。需将条件修改为i+o<=max且i<=max-1；

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