写在前面：
- 本系列笔记主要以《计算机操作系统（汤小丹...）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。
- 视频链接：操作系统（汤小丹等第四版）_哔哩哔哩_bilibili
一、系统调用与库函数
1、系统调用
一方面，为使诸进程能有条不紊地使用I/O设备，且能保护设备的安全性，不允许运行在用户态的应用进程去直接调用运行在核心态（系统态）的OS过程；但另一方面，应用进程在运行时，又必须取得OS所提供的服务，否则应用程序几乎无法运行。为了解决此矛盾，OS在用户层中引入了一个中介过程------系统调用，应用程序可以通过它间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作。
系统中会有许多系统调用，它们的实现方法是基本相同的。当应用程序需要执行某种I/O操作时，在应用程序中必须使用相应的系统调用当OS捕获到应用程序中的该系统调用后，便将CPU的状态从用户态转换到核心态，然后转向操作系统中相应过程，由该过程完成所需的I/O操作；执行完成后，系统又将CPU状态从核心态转换到用户态，返回到应用程序继续执行。
2、库函数
事实上，由OS向用户提供的所有功能，用户进程都必须通过系统调用来获取，或者说，系统调用是应用程序取得OS所有服务的唯一途径。在早期的操作中，系统调用是以汇编语言形式提供的，所以只有在用汇编语言编写的程序中，才能直接使用系统调用，这对用户是非常不方便的，后来在C语言中，首先提供了与系统调用相对应的库函数。
在C语言以及UNIX系统中，系统调用与各系统调用所使用的库函数之间几乎是一一对应的，用户程序通过调用对应的库函数使用系统调用，这些库函数与调用程序连接在一起，被嵌入在运行时装入内存的二进制程序中。
在C语言中提供了多种类型的库函数，对于I/O方面，主要是对文件和设备进行读写的库函数，以及控制/检查设备状态的库函数，显然这些库函数的集合也应是I/O系统的组成部分。可以这样来看待内核和库函数之间的关系：内核提供了OS的基本功能，而库函数扩展了OS内核，使用户能方便取得操作系统的服务。在许多现代OS中，系统调用本身已经采用C语言编写，并以函数形式提供，所以在使用C语言编写的用户程序中，可以直接使用这些系统调用。
另外，操作系统在用户层中还提供了一些非常有用的程序，如下面将要介绍的假脱机系统，它们是运行在内核之外的程序，但它们仍属于I/O系统。
二、假脱机（Spooling）系统
1、假脱机技术
为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾，引入了脱机输入、脱机输出技术，该技术是利用专门的外围控制机，先将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反，这样，当处理机需要输入数据时便可以直接从磁盘中读取数据，极大地提高了输入速度，反之，在处理机需要输出数据时，也可以很快的速度把数据先输出到磁盘上，处理机便可去做自己的事情。
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，再用另一道程序模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘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。这种在联机情况下实现的同时外围操作的技术称为SPOOLing技术，或称为假脱机技术。
2、SPOOLing系统的组成
（1）输入井和输出井。这是在磁盘上开辟出来的两个存储区域。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。这是在内存中开辟的两个缓冲区，用于缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾。输入缓冲区用于暂存由输入设备传送的数据，之后再传送到输入井；输出缓冲区用于暂存从输出井传送的数据，之后再传送到输出设备。
（3）输入进程和输出进程。输入进程也称为预输入进程，用于模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入设备传送到输入缓冲区，再存放到输入井，当CPU需要输入设备时，直接从输入井读入内存；输出进程也称为缓输出进程，用于模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输入的数据从内存传送并存放到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区输出至输出设备上。
（4）井管理程序。用于控制作业与磁盘井之间信息的交换，当作业执行过程中向某台设备发出启动输入或输出操作请求时，由操作系统调用井管理程序，由其控制从输入井读取信息或将信息输出至输出井。
3、SPOOLing系统的特点
（1）提高了I/O的速度。这里对数据所执行的I/O操作，已从对低速I/O设备执行的I/O操作演变为对磁盘缓冲区中数据的存取，如同脱机输入输出一样，提高了I/O速度，缓和了CPU与低速I/O设备之间速度不匹配的矛盾。
（2）将独占设备改造为共享设备。因为在假脱机打印机系统中，实际上并没为任何进程分配设备，而只是在磁盘缓冲区中为进程分配一个空闲盘块和建立一张I/O请求表，这样，便把独占设备改造为共享设备。
（3）实现了虚拟设备功能。宏观上，虽然是多个进程在同时使用一台独占设备，而对于每一个进程而言，它们都会认为自己是独占了一个设备。
4、假脱机打印机系统
打印机是独占设备，利用SPOOLing技术将其改造成共享设备。
每当用户进程发出打印输出请求时，假脱机打印机系统并不是立即把打印机分配给该用户进程，而是由假脱机管理进程完成两项工作：
①在磁盘缓冲区中为之申请一个空闲盘块，并将要打印的数据送入其中暂存。
②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，再将该表挂到假脱机文件队列上。
真正的打印输出是假脱机打印进程负责的，当打印机空闲时，该进程首先从假脱机文件队列的队首摘取一张请求打印表，然后根据表中的要求将要打印的数据由输出并传送到内存缓冲区，再交付打印机进行打印。一个打印任务完成后，假脱机打印进程将再次查看假脱机文件队列，若队列非空，则重复上述的工作，直至队列为空，此后，假脱机打印进程将自己阻塞起来，仅当再次有打印请求时，才被重新唤醒运行。
