什么是操作系统中的假脱机（Spooling）

在操作系统中，高效地管理输入和输出（I/O）设备对于保持高系统性能和用户生产力至关重要。像打印机、绘图仪和存储介质等设备，其运行速度远低于CPU和内存。为了弥合这种性能差距，操作系统使用一种称为假脱机（Spooling）的方法，它代表“Simultaneous Peripheral Operations Online”（同步外围设备联机操作）。

假脱机是一种允许将多个I/O操作排队并异步执行的技术，从而实现更好的多任务处理和系统吞吐量。本文将全面解释假脱机，包括其工作原理、架构、优点、局限性以及常见的实际应用。

在操作系统中，一种用于管理计算机CPU与扫描仪、打印机、磁盘驱动器等外围设备之间数据流的技术被称为假脱机。它结合了缓冲和排队。它将数据临时存储在一个假脱机（spool）中，然后根据需要将其提供给设备。

通常，我们需要管理许多进程，并且我们知道CPU执行指令所花费的时间远少于I/O活动所需的时间。CPU执行完指令后，在CPU仍然空闲的情况下，输出被再次传输到输出设备。输出显示出来，然后执行下一步。这会导致操作系统中最糟糕的情况：CPU大部分时间都处于空闲状态。在这种情况下，假脱机的概念就显得尤为重要。

操作系统中的假脱机是什么？

假脱机（Spooling），简而言之是“Simultaneous Peripheral Operations Online”（同步外围设备联机操作），是一种在计算机系统，特别是操作系统中使用的进程，通过将数据临时存储在缓冲区（通常在硬盘上）直到其可以被较慢的外围设备处理，来管理输入/输出（I/O）操作。

它充当I/O作业的队列系统，允许CPU或活动应用程序在等待I/O设备（如打印机或磁盘驱动器）完成其任务时继续工作。假脱机对于提高效率至关重要，尤其是在多个进程或用户共享单个设备的环境中。

假脱机是一种临时存储数据的方法，以便系统、程序或设备可以使用并执行它。在被计算机或程序请求操作之前，数据被传输并存储在主内存或其他类型的易失性存储器中。假脱机通过使用磁盘作为大缓冲区，将数据传输到打印机和其他设备。虽然它更常用于输出，但也可用于输入。其主要目的是防止两个人同时在同一页面上打印，这将导致他们的输出完全混合在一起。之所以避免这种情况，是因为它使用FIFO（先进先出）技术从假脱机中检索存储的任务，这同步了进程并防止输出完全混淆。

它还有助于减少CPU和I/O的重叠以及空闲时间。批处理系统通常包含基本的文件管理功能。文件是顺序访问的。批处理系统不需要对时间敏感的设备管理。

需要假脱机

1. 处理CPU和I/O设备之间的速度不匹配

使用假脱机的主要原因之一是中央处理单元（CPU）与输入/输出（I/O）设备之间存在显著的速度差异。CPU每秒可以处理数百万条指令，而打印机、扫描仪和磁盘驱动器等设备运行速度要慢得多。如果CPU在继续之前必须等待这些较慢的设备完成任务，将会导致系统处理能力的大量未充分利用。假脱机通过允许CPU将数据移交给以后处理，而不延迟地继续其操作来解决这个问题。这提高了整体系统效率，并确保较快的系统组件不会空闲地等待较慢的组件。

2. 实现多道程序设计和多任务处理

现代操作系统同时支持多个用户和进程。在这样的环境中，多个应用程序或用户同时请求访问同一I/O设备是很常见的。没有假脱机，这些请求将不得不实时一个接一个地处理，这通常会导致系统延迟甚至冲突。假脱机提供了一种系统化的方法来排队这些I/O请求，以便它们可以按顺序或基于优先级进行处理，而不会相互干扰。这种机制支持多任务处理，允许进程并发运行，同时在后台管理I/O作业。

3. 高效的资源共享

假脱机对于管理共享资源至关重要，尤其是在多用户系统中。例如，在网络环境中，一个打印机由几十个用户共享，假脱机使得每个人都可以发送打印作业，而无需等待打印机可用。每个作业都放入队列并按顺序处理。这确保了对设备的公平访问，并有助于避免因多个同时请求而可能产生的冲突。其结果是共享外围设备的行为更加有组织和可预测。

4. 提高系统吞吐量

通过允许CPU和I/O设备异步工作，假脱机提高了系统的吞吐量，即在给定时间内完成的工作量更大。当假脱机器在慢速设备上处理一个作业时，CPU可以继续处理其他任务或准备下一个作业。这种连续的操作流程减少了空闲时间，并最大限度地利用了处理器和I/O设备的生产力。没有假脱机，每个I/O请求都会阻塞发出该请求的进程，从而降低了整体生产力。

5. 促进作业调度和控制

假脱机还支持作业调度，这对于控制任务何时以及如何执行至关重要。这在大规模运行批处理作业的系统或I/O资源需求很高的企业环境中尤其重要。通过将作业放入假脱机队列，操作系统可以根据管理规则或用户偏好来优先处理、延迟、取消或重新排序它们。这种级别的控制有助于维持系统稳定性，并确保重要或时间敏感的任务首先完成。

6. 错误处理和恢复

假脱机的另一个重要好处是它在错误管理中的作用。由于作业在处理前被临时存储在假脱机文件中，因此如果发生错误（如打印机离线或磁盘暂时不可用），它们可以被重试。这可以防止数据丢失，并避免用户需要重新提交作业。它还允许对I/O活动进行日志记录和监控，从而更容易检测问题、诊断故障并维护一个可靠的系统。

操作系统假脱机如何工作？

• 为了进行假脱机，必须创建一个称为SPOOL的缓冲区。此缓冲区用于暂存作业和信息，直到创建SPOOL的设备准备好使用和执行数据上的操作或执行作业。
• 使用任何连接的二次存储器，一个较快的设备在向慢速设备提供输入以完成操作时充当SPOOL的存储库。在慢速设备准备好使用之前，此输入会保存在SPOOL中。当较慢的设备准备就绪时，SPOOL中的输入会被复制到主存储器中以进行必要的处理。
• 一个设备可以连接到多个输入设备，其中一些设备可能需要数据处理。因此，所有这些形式的输入都可能将其输入信息保存在附加存储（SPOOL）中，允许设备顺序处理它。这使得CPU永远不会空闲。因此，假脱机是队列和缓冲的混合体。
• CPU产生的输出最初存储在主内存中。输出在从主内存移动到二次存储器后提供给相应的输出设备。
• 当进程将信息发送到物理I/O设备（如打印机或磁盘）时，数据会被保存在一个不确定的缓冲区中，称为假脱机器或打印机假脱机。
  由于假脱机器能够有效地、有条理地管理数据流，因此多个进程可以共享I/O设备，而不会相互干扰。
• 假脱机器将数据分割成更小、更易于管理的块，并将它们作为假脱机文件存储在假脱机目录中。
  假脱机器按接收顺序将假脱机文件发送到I/O设备。
• 在假脱机器将数据传输到设备时，提供数据的进程可以继续运行，而无需等待设备完成操作。
• 任务完成后，设备会通知假脱机器，假脱机器随后会将相关的假脱机文件从假脱机目录中删除。
• 一旦所有假脱机文件都已传输并处理完毕，假脱机器就会在等待列表中找到下一个假脱机项并将其发送给设备。
• 假脱机通过减少进程必须等待输入和输出操作完成的时间，提高了系统对用户请求的响应速度。
• 假脱机提高了系统在各种输入/输出（I/O）任务中的响应速度和性能，包括打印、存储访问、网络连接和多媒体流。

操作系统中的假脱机应用

以下是OS中假脱机的几个潜在用途

• 打印机：假脱机是打印中常用的一项技术，有助于控制和减少打印过程中的延迟。这使得用户可以在后台进行打印过程的同时继续处理他们的任务。
• 文件传输：假脱机也用于文件传输，以提高传输大文件的效率。通过将信息存储在假脱机中，计算机的操作系统可以优化输入/输出过程并减少由于传输速度慢或带宽受限而导致的延迟。
• 网络通信：为了更有效地处理数据流，假脱机经常在网络通信中使用。通过在假脱机或线路中缓冲数据，操作系统可以最大化数据流并减少网络拥塞，从而提高整体系统性能。
• 音频和视频播放：假脱机也用于音频和视频播放，它有助于控制从存储到播放设备的数据流。通过将数据存储在假脱机中，计算机的操作系统可以确保数据以稳定的速度提供给播放设备，从而减少延迟并确保流畅播放。

假脱机与缓冲之间的区别

操作系统假脱机的好处

以下是假脱机的一些好处

• 提高输入/输出操作效率。
• 减少数据丢失。
• 更大的输入/输出设备共享。
• 使用输入/输出设备时避免中断和冲突。
• 能够处理大量数据集。
• 允许在完成其他任务的同时在后台打印。
• 假脱机过程使用磁盘作为巨大的缓冲区。
• 它允许I/O设备以最大速度运行，应用程序以CPU的速度执行。
• 相反，假脱机可以将一个作业的处理器进程与另一个作业的I/O操作重叠。

操作系统中假脱机的缺点

操作系统中的假脱机有以下缺点

• 内存使用量更大。
• 更复杂的系统。
• 数据丢失的可能性。
• 延迟问题。
• 假脱机需要大量的存储空间，取决于处理的请求数量和连接的输入设备的种类。
• 同时运行许多输入设备可能会导致附加存储空间更快地填满，并增加磁盘流量，因为SPOOL建立在二次存储器中。结果是，随着流量的增加，磁盘会变得越来越慢。

常见问题解答

1. 操作系统中的假脱机是什么？

答案

假脱机是一种技术，其中程序生成的数据不会直接发送到打印机或磁盘等设备，而是临时存储在缓冲区或文件（称为假脱机）中。一个名为假脱机器的独立后台进程然后会在设备准备好时将此数据发送到设备。这使得CPU或应用程序无需等待较慢的I/O设备完成数据处理即可继续运行。

2. “Spooling”代表什么？

答案

Spooling 代表 Simultaneous Peripheral Operations Online（同步外围设备联机操作）。这个名称反映了即使设备本身可能工作速度不快，多个I/O操作也可以同时在线（即实时）进行管理的概念。

3. 为什么需要假脱机？

答案

需要假脱机是因为大多数I/O设备（如打印机）远比CPU慢。没有假脱机，CPU将不得不等待每个设备完成后才能继续，这将浪费处理能力。假脱机解决了这个问题，允许CPU在I/O作业稍后在后台处理时继续工作。

4. 假脱机仅用于打印机吗？

答案

不，假脱机不限于打印机。它也用于

• 电子邮件系统，其中传出消息在发送前被存储。
• 批处理，其中任务被排队以供以后执行。
• 文件传输操作，其中数据被准备并排队以供上传/下载。

因此，假脱机是一种通用的I/O管理技术，不仅仅是打印工具。

5. 什么是假脱机器？

答案

假脱机器是一个后台进程或程序，负责管理假脱机系统。它监控假脱机区域（作业存储的地方），并在设备（如打印机）准备好时将每个作业发送到相应的设备。假脱机器还处理作业顺序、重试失败的作业，并可以提供状态更新。

6. 假脱机和缓冲有什么区别？

答案

• 假脱机通常在磁盘上存储整个作业（如完整的打印文件），并逐个处理。它有助于管理作业队列。
• 缓冲在数据传输期间（例如，流式传输视频）在RAM中临时存储小块数据。它有助于平滑短期速度不匹配。

两者都提高了效率，但它们的工作方式不同，并且用于不同的场景。

7. 什么是假脱机区域？

答案

假脱机区域是内存或磁盘中的一个指定位置，用于临时存储假脱机数据。它充当一个队列，保存作业直到设备（如打印机或磁盘驱动器）准备好处理它们。该区域通常位于操作系统专门设置的文件夹或目录中。

8. 如果假脱机区域已满会怎样？

答案

如果假脱机区域已满（例如，如果排队的作业太多而未得到处理），系统可能会

• 暂停新作业的提交
• 延迟作业执行
• 向用户显示错误消息
• 需要手动干预（例如，清除旧作业或重新启动假脱机器）

这会降低系统性能，并且可能需要管理员采取行动来解决。