操作系统-I/O（3）SPOOLing技术

为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾而引入了脱机输入、输出技术。该技术是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。

事实上，当系统中引入了多道程序技术后，完全可以利用其中的一道程序，来模拟脱机输入时的外围控制机的功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。

此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing，或称为假脱机操作。

通过SPOOLing技术可将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，允许多个用户共享一台物理I/O设备。

SPOOLing技术是对脱机输入、输出系统的模拟。相应地，SPOOLing系统必须建立在具有多道程序功能的操作系统上，而且还应有高速随机外存（通常是磁盘）的支持。

 

SPOOLing系统主要有以下三部分：

• 输入井和输出井。

这是在磁盘上开辟的两个大存储空间。用高速的磁盘设备来模拟慢速的字符设备，缩短进程在内存中的驻留时间。

井是用作缓冲的存储区域：输入井是模拟脱机输入时的慢速设备，用于暂存I/O设备输入的数据；输出井是模拟脱机输出时的慢速设备，用于暂存用户程序的输出数据。

井管理程序：控制作业和井之间的数据交换（实际上是I/O重定向）

输入输出井中的数据一般以文件的形式组织管理，这些文件称之为井文件。

井文件空间被划分为等长的物理块，每块用于存放一条或多条逻辑记录。可采用两种方式存放作业的数据信息：

（1）链接方式：输入/输出信息被组织成输入/输出队列链接文件，文件的第一块位置登记在输入表/输出表中。数据可以不连续存放，文件空间利用率高。

（2）计算方式：直接计算出文件在磁盘中的位置

• 输入缓冲区和输出缓冲区。

为了缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾，在内存中要开辟两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。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，以后再传送给输出设备。

• 输入进程SPi和输出进程SPo

这里利用两个进程来模拟脱机I/O时的外围控制机。

预输入程序的进程SPi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，不必再启动输入设备，直接从输入井读入内存；

缓输出程序的进程SPo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上。

进程运行过程中只从输入井读入数据，只向输出井输出数据，使得全部I/O都基于磁盘，以加快进程周转，提高系统吞吐量。这样不仅设备利用率提高，作业的运行时间也会缩短，每个作业都感觉各自拥有所需的独占设备。

   

SPOOLing技术使用示例：

• 使用一类物理设备来模拟另一种物理设备，如内存卡模拟磁盘、块设备模拟字符设备、输入输出重定向
• 打印机SPOOLing守护进程

打印机是经常要用到的输出设备，属于独占设备。如果用户进程通过打开打印机的设备文件来申请和使用打印机，往往会造成该进程打开设备文件后长达数小时不用，但其他进程又无法使用打印机。

利用SPOOLing技术，可将之改造为一台可供多个用户共享的设备，从而提高设备的利用率，也方便了用户。共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网中。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。即，打印文件前，用户进程先产生完整的待输出文件，并存放在SPOOL打印目录下。

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。如果还有进程要求打印输出，系统仍可接受该请求，也同样为该进程做上述两件事。

打印机守护进程是唯一有特权使用打印机设备的进程，如果打印机空闲，启动守护进程，打印待输出文件。此时输出进程将从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再由打印机进行打印。打印完后，输出进程再查看请求打印队列中是否还有等待打印的请求表。若有，又取出队列中的第一张表，并根据其中的要求进行打印，如此下去，直至请求打印队列为空，输出进程才将自己阻塞起来。仅当下次再有打印请求时，输出进程才被唤醒。

• 网络通信SPOOLing守护进程

在网上传输文件常使用SPOOLing守护进程，发送文件之前现将其放在特定的网络SPOOLing目录下，后由网络通信守护进程将其取出并发送出去。

这种文件传送方式的用途之一是因特网电子邮件系统，用户使用类似send的程序接收所要发送的信件并将其送入固定的电子邮件SPOOL目录下等待以后发送，整个电子邮件系统在操作系统之外作为一种应用程序运行。

 

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在多道批处理系统中，我们把对一个作业的加工处理过程抽象成作业管理的过程，

作业说明语言：一种作业控制语言，用户通过它描述对一个作业具体的加工处理方式。这种加工处理方式被抽象为作业说明书。

作业说明书：刻画具体作业的控制方式。作业说明书和代码数据一起提交给操作系统，构成作业。

系统拥有一张作业表用来登记进入系统的所有作业的JCB，包括：作业名、作业状态、预输入表位置、缓输出表位置。

预输入表、缓输出表用来登记作业各输入输出文件的情况，包括设备类、文件名、信息长度、存放位置

作业在其生命周期中处于四个状态，可通过作业表的状态项指示：输入状态（预输入）、收容状态（空闲）、执行状态（可以从输入井读数据或向输出井写数据）、完成状态（缓输出)

当一个作业建立之后，首先进入输入状态，SPOOLing系统的预输入程序将控制作业预输入相关信息进入输入井。

预输入完成后作业进入收容状态，进入后备状态的作业具备了构成进程进行运行的条件。此时要通过作业调度程序进行选择，从完成了预输入的收容状态作业中，选择作业进入执行状态运行，构成进程（前提是资源充足）。作业调度算法包括优先数、短作业、响应比、设备搭配等。

执行时通过井管理程序，直接与输入井输出井交互，完成进程的执行。

作业进程结束时，数据有可能还没有完全输入到慢速的输出设备上，缓输出程序可以控制完成状态的作业实现输出从而完成整个作业。