程序员不得不学的操作系统知识（三）

存储器管理

存储器层次结构

存储层次至少具有三级：最高层为CPU寄存器，中间为主存，最底层是辅存。

程序的装入和链接

程序装入方式：

• 绝对装入方式：绝对装入程序按照装入模块的地址，将程序和数据装入内存。
• 可重定位方式：在采用可重定位装入程序将装入模块装入内存后，会使装入模块中的所有逻辑地址与实际装入内存的物理地址不同。
• 动态运行时装入方式：装入内存后的所有地址都仍然是相对地址，而将相对地址转换为绝对地址是在程序真正执行的时候。

程序链接方式：

• 

内存管理

内存分配方式

单一连续分配：将内存分为系统区、用户区，将系统区的内存交给操作系统使用，而用户区内存分配给用户使用。

固定分区分配：内存空间被划分为若干个固定大小的区域，每个分区提供给某个进程使用。

动态分区分配：根据进程实际需要，结合数据结构动态分配内存。

• 位图：由位图标记相关分区是否被使用
• 空闲链表：由双向链表将空闲区域作为节点相连

相关分配算法

1. 首次适应算法：从头部顺序查找，分配内存使用。
2. 最佳适应算法：空闲区链表按照容量大小排序，遍历空闲区链表找到最佳空闲区，分配内存使用。
3. 快速适应算法：拥有多个空闲区链表，每个空闲区链表存储一种容量的空闲区，快速找到合适的内存分配使用。

内存回收过程

• 回收区和一块空闲区相邻，且回收区在空闲区下边：将回收区包含进空闲区
• 回收区和一块空闲区相邻，且空闲区在回收区下边：将回收区和空闲区合并，新的空闲区采用回收区的地址
• 回收区在两块空闲区中间：将三个区域合并，新的空闲区使用顶部的空闲区地址
• 单独的回收区：转为空闲区插入空闲区链表

内存存储管理

页式存储管理：将进程逻辑空间等分为若干个页面，物理内存空间分为若干个物理块，以页面为单位将进程装入物理块。由页表记录进程逻辑空间与物理空间的映射

• 缺点：由于页面大小的原因，会导致碎片多，单一的页式存储也会导致页表占用内存空间大。
• 优点：符合计算机的存储管理要求
• 解决方案：采用多级页表，防止一次页表的页表项过大

段式存储管理：将进程逻辑空间划分为若干段（非等分），由段表记录逻辑空间到物理空间的映射。

• 优点：适合用户需求，满足程序的共享

段页式存储管理：结合了提高内存利用率的分页管理、满足用户需求的分段，将进程先分为段，再分为页。

页面置换算法

当发生缺页异常的时候，需要相关的页面置换算法。

最优页面置换算法：将不再需要或者很久以后才需要的页面置换出去，这是一种理想的置换算法。

先进先出页面置换算法：由操作系统维护一个所有在当前内存中的页面的链表，缺页时移除头部的页，并且把新的页添加到表尾。

最近最少使用页面置换算法：在缺页中断时，置换未使用时间最长的页面。

虚拟地址空间

将物理内存地址暴露给进程的缺点：

• 用户程序可以寻址内存中的字节，容易破坏操作系统
• 多个用户程序容易发生冲突，并发困难

虚拟地址空间：创建了一种抽象内存供程序使用。地址空间是进程可以用来寻址内存的地址集。每个进程都有它自己的地址空间，独立于其他进程的地址空间。

在没有虚拟内存的计算机上，系统直接将虚拟地址送到内存中线上，读写操作都使用同样地址的物理内存。在使用虚拟地址空间技术时，虚拟地址不会直接发送到内存总线上。相反，会使用 MMU内存管理单元把虚拟地址映射为物理内存地址。

基址寄存器和变址寄存器：采用了虚拟地址空间后，要实际定位到程序的物理内存地址，采用动态重定位方法，使用CPU中的基址寄存器、变址寄存器来对地址空间转换为物理内存地址。

• 基址寄存器：存储数据内存的起始位置
• 变址寄存器：存储应用程序的长度。

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虚拟地址空间由固定大小的单元组成，这种固定大小的单元称为 页(pages)。而相对的，物理内存中也有固定大小的物理单元，称为 页框(page frames)。

映射关系由页表进行管理，如果MMU 注意到该页面没有被映射，于是 CPU 会陷入(trap)到操作系统中。这个陷入称为 缺页中断(page fault) 或者是 缺页错误。操作系统会选择一个很少使用的页并把它的内容写入磁盘。

针对虚拟地址到物理地址映射速度优化主要有：TLB（转换检测缓冲区）位于MMU里面。

TLB

TLB是一个内存管理单元用于改进虚拟地址到物理地址转换速度的缓存。

TLB是位于内存中的页表的cache，如果没有TLB，则每次取数据都需要两次访问内存,即查页表获得物理地址和取数据.

虚拟内存

交换技术：针对于内存不足以程序运行的情况，有两种方式，第一种是交换，将进程放入内存中执行后，再把它放回磁盘。故空闲进程会存放在磁盘中。第二种是虚拟内存。

虚拟存储器，是指具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量加以扩充的一种存储器系统。

具有多次性、对换性和虚拟性三大主要特征。

• 多次性：多次性是指一个作业被分成多次调入内存运行
• 对换性：对换性是指允许在作业的运行过程中进行换进、换出
• 虚拟性：虚拟性是指能够从逻辑上扩充内存容量

虚拟内存主要由虚拟存储器实现，具体内存管理也大体一样，分为：请求分页、请求分段、请求段页式，

相关置换算法：

• 先进先出算法(FIFO)
• 最不经常使用算法(LFU)
• 最近最少使用算法(LRU)

文件系统

文件系统存储在磁盘中。大部分的磁盘能够划分出一到多个分区，叫做磁盘分区。每个分区都有独立的文件系统，每块分区的文件系统可以不同。磁盘的 0 号分区称为 主引导记录(MBR)，用来引导(boot) 计算机。在 MBR 的结尾是分区表(partition table)。

当计算机开始引 boot 时，BIOS 读入并执行 MBR。

引导块

MBR 做的第一件事就是确定活动分区， 读入引导块(boot block) 并执行。引导块中的程序将加载分区中的操作系统。为了一致性，每个分区都会从引导块开始，即使引导块不包含操作系统。引导块占据文件系统的前 4096 个字节，从磁盘上的字节偏移量 0 开始。引导块可用于启动操作系统。

超级块

超级块 的大小为 4096 字节，从磁盘上的字节偏移 4096 开始。超级块包含文件系统的所有关键参数

• 文件系统的大小
• 文件系统中的数据块数
• 指示文件系统状态的标志
• 分配组大小

在计算机启动或者文件系统首次使用时，超级块会被读入内存。

空闲空间块

用位图或者链表管理空闲块。

inode

索引节点。它是一个数组的结构，每个文件有一个 inode，inode 非常重要，它说明了文件的方方面面。

• 模式/权限（保护）
• 所有者 ID
• 组 ID
• 文件大小
• 文件的硬链接数
• 上次访问时间
• 最后修改时间
• inode 上次修改时间

文件分为两部分，索引节点和块。一旦创建后，每种类型的块数是固定的。

文件的实现

连续分配：按照连续数据块进行分配。

• 优点：实现简单、高性能
• 缺点：碎片问题

链表分配：按照链表方式分配数据块，节点的是磁盘指针

• 优点：充分利用数据块
• 缺点：不支持随机访问，IO代价大

inode：给每个文件赋予一个称为 inode(索引节点) 的数据结构，每个文件都与一个 inode 进行关联，inode 由整数进行标识。只有在文件打开时，其 inode 才会在内存中。

* 文件的字节数

　　* 文件拥有者的User ID

　　* 文件的Group ID

　　* 文件的读、写、执行权限

　　* 文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。

　　* 链接数，即有多少文件名指向这个inode

　　* 文件数据block的位置

目录的实现

目录项提供了查找文件磁盘块所需要的信息。目录系统的主要功能就是 将文件的 ASCII 码的名称映射到定位数据所需的信息上。

对于采用 inode 的系统，每个目录项，由两部分组成：所包含文件的文件名，以及该文件名对应的inode号码。

共享文件

硬链接：多个文件名指向同一个inode号码。【inode链接数会发生变化】

ln 源文件 目标文件

软链接：文件A和文件B的inode号码虽然不一样，但是文件A的内容是文件B的路径。

ln -s 源文文件或目录 目标文件或目录

磁盘调度算法：

• 先来先服务：磁盘臂按照FIFO原则移动
• 最短路径优先：磁盘臂按照最短路径优先原则移动
• 电梯算法：磁盘臂向一端移动后回来

提升性能

• 高速缓存：块高速缓存、缓冲区高速缓存
• 块提前读：提前预读下一个块【针对顺序读取的文件】
• 减少磁盘臂运动：把有可能顺序访问的块放在一起，当然最好是在同一个柱面上，从而减少磁盘臂的移动次数

IO

I/O 分为两种：物理I/O 和 逻辑I/O(Logical I/O)。

物理 I/O 通常是从磁盘等存储设备实际获取数据。逻辑 I/O 是对存储器（块，缓冲区）获取数据。

大部分物理IO(physical I/O) 是异步的。CPU 传输完成后会转而做其他事情，等到中断发生后，CPU 才会回到传输这件事情上来。

比较条件	同步传输	异步传输
概念	块头序列开始	它分别在字符前面和后面使用开始位和停止位。
传输方式	以块或帧的形式发送数据	发送字节或者字符
同步方式	同步时钟	无
传输速率	同步传输比较快	异步传输比较慢
时间间隔	同步传输通常是恒定时间	异步传输时间随机
开销	同步开销比较昂贵	异步传输开销比较小
是否存在间隙	不存在	存在
实现	硬件和软件	只有硬件
示例	聊天室，视频会议，电话对话等。	信件，电子邮件，论坛

缓冲

通常情况下，从一个设备发出的数据不会直接到达最后的设备。其间会经过一系列的校验、检查、缓冲等操作才能到达。优点：先到达缓冲区，从而消除缓冲区填满速率和缓冲区过载。

共享和独占

有些 I/O 设备能够被许多用户共同使用，但是某些设备必须具有独占性，即只允许单个用户使用完成后才能让其他用户使用。

此时采用**SPOOLing技术（假脱机技术）**将物理设备虚拟为多个逻辑设备，在队列中调用设备，从而实现共享。

一共有三种控制 I/O 设备的方法

• 使用程序控制 I/O
• 使用中断驱动 I/O
• 使用 DMA 驱动 I/O

使用程序控制 I/O

使用程序控制 I/O 又被称为 可编程I/O，它是指由 CPU 在驱动程序软件控制下启动的数据传输，来访问设备上的寄存器或者其他存储器。CPU 会发出命令，然后等待 I/O 操作的完成。由于 CPU 的速度比 I/O 模块的速度快很多，因此可编程 I/O 的问题在于，CPU 必须等待很长时间才能等到处理结果。CPU 在等待时会采用轮询(polling)或者 忙等(busy waiting) 的方式，结果，整个系统的性能被严重拉低。

1. CPU 请求 I/O 操作
2. I/O 模块执行响应
3. I/O 模块设置状态位
4. CPU 会定期检查状态位
5. I/O 不会直接通知 CPU 操作完成
6. I/O 也不会中断 CPU
7. CPU 可能会等待或在随后的过程中返回

使用中断驱动 I/O

在 CPU 等待 I/O 设备的同时，能够做其他事情，等到 I/O 设备完成后，它就会产生一个中断，这个中断会停止当前进程并保存当前的状态。

1. CPU 进行读取操作
2. I/O 设备从外围设备获取数据，同时 CPU 执行其他操作
3. I/O 设备中断通知 CPU
4. CPU 请求数据
5. I/O 模块传输数据

使用DMA的 I/O

DMA即直接内存访问，它意味着 CPU 授予 I/O 模块权限在不涉及 CPU 的情况下读取或写入内存。即 IO 过程不需要 CPU 的参与。由于 DMA 设备可以直接在内存之间传输数据，而不是使用 CPU 作为中介，因此可以缓解总线上的拥塞。DMA 通过允许 CPU 执行任务，同时 DMA 系统通过系统和内存总线传输数据来提高系统并发性。

中断处理程序

中断处理程序步骤：

1. 保存所有没有被中断硬件保存的寄存器
2. 为中断服务程序设置上下文环境，可能包括设置 TLB、MMU 和页表
3. 为中断服务程序设置栈
4. 对中断控制器作出响应，如果不存在集中的中断控制器，则继续响应中断
5. 把寄存器从保存它的地方拷贝到进程表中
6. 运行中断服务程序，它会从发出中断的设备控制器的寄存器中提取信息
7. 操作系统会选择一个合适的进程来运行。如果中断造成了一些优先级更高的进程变为就绪态，则选择运行这些优先级高的进程
8. 为进程设置 MMU 上下文，可能也会需要 TLB，根据实际情况决定
9. 加载进程的寄存器，包括 PSW 寄存器
10. 开始运行新的进程

设备驱动程序

操作系统通常会将驱动程序归为 字符设备 和 块设备

提供 I/O 设备到设备控制器转换的过程的代码称为 设备驱动程序(Device driver)

设备驱动程序接受到读写请求后，会检查当前设备是否在使用，如果设备在使用，请求被排入队列中，等待后续的处理。如果此时设备是空闲的，驱动程序会检查硬件以了解请求是否能够被处理。在传输开始前，会启动设备。等待设备就绪完成，再进行实际的控制。控制设备就是对设备发出指令。

设备控制器的主要主责是控制一个或多个 I/O 设备，以实现 I/O 设备和计算机之间的数据交换。

设备控制器接收从 CPU 发送过来的指令，继而达到控制硬件的目的。

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