Синхронный и асинхронный ввод/вывод

Задача, выдавшая запрос на операцию ввода/вывода, переводится супервизором в состояние ожидания завершения заказанной операции. Когда супервизор по­лучает от секции завершения сообщение о том, что операция завершилась, он пе­реводит задачу в состояние готовности к выполнению, и она продолжает свою работу. Эта ситуация соответствует синхронному вводу/выводу. Синхронный ввод/вывод является стандартным для большинства ОС. Чтобы увеличить ско­рость выполнения приложений, было предложено при необходимости использо­вать асинхронный ввод/вывод.

Простейшим вариантом асинхронного вывода является так называемый буфери­рованный вывод данных на внешнее устройство, при котором данные из при­ложения передаются не непосредственно на устройство ввода/вывода, а в спе­циальный системный буфер. В этом случае логически операция вывода для приложения считается выполненной сразу же, и задача может не ожидать окон­чания действительного процесса передачи данных на устройство. Процессом реального вывода данных из системного буфера занимается супервизор ввода/ вывода. Естественно, что выделением буфера из системной области памяти за­нимается специальный системный процесс по указанию супервизора ввода/вы­вода. Итак, для рассмотренного случая вывод будет асинхронным, если, во-пер­вых, в запросе на ввод/вывод было указано на необходимость буферизования данных, а во-вторых, если устройство ввода/вывода допускает такие асинхрон­ные операции и это отмечено в UCB.

Можно организовать и асинхронный ввод данных. Однако для этого необходи­мо не только выделить область памяти для временного хранения считываемых с устройства данных и связать выделенный буфер с задачей, заказавшей опера­цию, но и сам запрос на операцию ввода/вывода разбить на две части (на два за­проса). В первом запросе указывается операция на считывание данных, подобно тому как это делается при синхронном вводе/выводе. Однако тип (код) запроса используется другой, и в запросе указывается еще по крайней мере один допол­нительный параметр — имя (код) того системного объекта, которое получает за­дача в ответ на запрос и которое идентифицирует выделенный буфер. Получив имя буфера (будем этот системный объект условно называть таким образом, хотя в различных ОС для его обозначения используются и другие термины, на­пример — класс), задача продолжает свою работу. Здесь очень важно подчерк­нуть, что в результате запроса на асинхронный ввод данных задача не переводится супервизором ввода/вывода в состояние ожидания завершения операции ввода/ вывода, а остается в состоянии выполнения или в состоянии готовности к вы­полнению. Через некоторое время, выполнив необходимый код, который был оп­ределен программистом, задача выдает второй запрос на завершение операции ввода/вывода. В этом втором запросе к тому же устройству, который, естествен­но, имеет другой код (или имя запроса), задача указывает имя системного объек­та (буфера для асинхронного ввода данных) и в случае успешного завершения операции считывания данных тут же получает их из системного буфера. Если же данные еще не успели до конца переписаться с внешнего устройства в систем­ный буфер, супервизор ввода/вывода переводит задачу в состояние ожидания завершения операции ввода/вывода, и далее все напоминает обычный синхрон­ный ввод данных.

Обычно асинхронный ввод/вывод предоставляется в большинстве мультипро­граммных ОС, особенно если ОС поддерживает мультизадачность с помощью механизма тредов. Однако если асинхронный ввод/вывод в явном виде отсутст­вует, его идеи можно реализовать самому, организовав для вывода данных само­стоятельный поток.

Аппаратуру ввода/вывода можно рассматривать как совокупность аппаратурных процессоров, которые способны работать параллельно относительно друг друга, а также относительно центрального процессора (процессоров). На таких «про­цессорах» выполняются так называемые внешние процессы. Например, для внеш­него устройства (устройства ввода/вывода) внешний процесс может представлять собой совокупность операций, обеспечивающих перевод печатающей головки, продвижение бумаги на одну позицию, смену цвета чернил или печать каких-то символов. Внешние процессы, используя аппаратуру ввода/вывода, взаимодей­ствуют как между собой, так и с обычными «программными» процессами, вы­полняющимися на центральном процессоре. Важным при этом является то об­стоятельство, что скорости выполнения внешних процессов будут существенно (порой, на порядок или больше) отличаться от скорости выполнения обычных («внутренних») процессов. Для своей нормальной работы внешние и внутрен­ние процессы обязательно должны синхронизироваться. Для сглаживания эф­фекта сильного несоответствия скоростей между внутренними и внешними процессами используют упомянутое выше буферирование. Таким образом, можно говорить о системе параллельных взаимодействующих процессов.

Буферы являются критическим ресурсом в отношении внутренних (программ­ных) и внешних процессов, которые при параллельном своем развитии инфор­мационно взаимодействуют. Через буфер (буферы) данные либо посылаются от некоторого процесса к адресуемому внешнему (операция вывода данных на внешнее устройство), либо от внешнего процесса передаются некоторому про­граммному процессу (операция считывания данных). Введение буферирования как средства информационного взаимодействия выдвигает проблему управле­ния этими системными буферами, которая решается средствами супервизорной части ОС. При этом на супервизор возлагаются задачи не только по выделению и освобождению буферов в системной области памяти, но и синхронизации про­цессов в соответствии с состоянием операций по заполнению или освобождению буферов, а также их ожидания, если свободных буферов в наличии нет, а запрос на ввод/вывод требует буферирования. Обычно супервизор ввода/вывода для решения перечисленных задач использует стандартные средства синхронизации, принятые в данной ОС. Поэтому если ОС имеет развитые средства для решения проблем параллельного выполнения взаимодействующих приложений и задач, то, как правило, она реализует и асинхронный ввод/вывод.