操作系统概述

  操作系统是管理计算机硬件和软件资源的计算机程序，管理配置内存、决定资源供需顺序、控制输入输出设备等。操作系统提供让用户和系统交互的操作界面。操作系统的种类是多种多样的，不局限于计算机，从手机到超级计算机，操作系统可简单也可复杂，在不同的设备上，操作系统可向用户呈现多种操作。因为我们不可能直接操作计算机硬件，而且设备种类繁多，需要一个统一的界面，因此有了操作系统，操作系统的简易性使得更多人能使用计算机。常见的操作系统有：Windows、Linux、MacOS、Android等，总结一句话就是：操作系统是管理硬件、提供用户交互的软件系统。

• 操作系统的基本功能
  • 操作系统统一管理着计算机资源。这些计算机资源包括处理器资源、存储器资源、IO设备资源和文件资源等。
  • 操作系统实现了对计算机资源的抽象。即用户无需面向硬件接口编程；IO设备管理软件，提供独写接口；文件管理软件，提供操作文件的接口。
  • 操作系统提供了用户和计算机之间的接口。例如图像窗口形式、命令行形式和系统调用形式等。
• 操作系统的相关概念
  • 并发性：说到并发就不得不提一下并行性，并行性是指两个或多个事件可以在同一时刻发生，而并发性是指两个或多个事件可以在同一个时间间隔发生。
    
  • 共享性：多个程序可以同时使用主存资源，资源共享根据属性分为互斥共享和同时访问两种形式
    • 互斥共享形式：当资源被程序A占用时，其他想使用的话就只能等待，只有进程A使用完以后，其他进程才可以使用该资源。
    • 同时访问形式：某种资源在一段时间内并发地被多个程序访问，这种“同时”是宏观的，从宏观去看该资源可以被同时访问
  • 虚拟性：虚拟性表现为把一个物理实体转为若干个逻辑实体，物理实体是真实存在的，逻辑实体是虚拟的，虚拟的技术主要有时分复用技术和空分复用技术。
    • 时分复用技术：资源在时间上进行复用，不同程序进行并发使用，多道程序分时使用计算机的硬件资源，提高资源的利用率
      • 虚拟处理器技术：借助多道程序设计技术，为每个程序建立进程，多个程序分时复用处理器
      • 虚拟设备技术：物理设备虚拟为多个逻辑设备，每个程序占用一个逻辑设备，多个程序通过逻辑设备并发访问
    • 空分复用技术：空分复用技术用来实现虚拟磁盘、虚拟内存等，提高资源利用率，提高编程效率
      • 虚拟磁盘技术：物理磁盘虚拟为逻辑磁盘，例如C、D、E等逻辑盘，使用起来更加安全方便
      • 虚拟内存技术：在逻辑上扩大程序的存储容量，使用比实际内存更大的容量，大大提升编程效率
  • 异步性：在多道程序环境下，允许多个进程并发执行，进程在使用资源时可能需要等待和放弃，进程的执行并不是一气呵成的，而是以走走停停的形式推进
    

进程管理

  为什么需要进程呢？在没有配置OS（操作系统）之前，资源属于当前运行的程序，配置OS之后，引入多道程序设计的概念，可以合理的隔离资源、运行环境、提升资源利用率。进程是系统进行资源分配和调度的基本单位，进程作为程序独立运行的的载体保障程序正常运行，进程的存在使得操作系统资源的利用率大幅提升。

进程管理之进程实体

主存中得进程形态

• 标识符：标识符唯一标记一个进程，用户区别其他进程，如进程id
• 状态：标记进程的进程状态，如：运行态
• 程序计数器：指向进程即将被执行的下一条指令的地址
• 内存指针：程序代码，进程数据相关指针
• 上下文数据（重要）：进程执行时处理存储器的数据
• IO状态信息：被进程IO操作时所占用的文件列表
• 记账信息：使用处理器时间、时钟数总和等。

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  由此可知，主存中的进程形态主要包括进程标识符，处理机状态，进程调度信息，进程控制信息等。其中进程控制块（PCB）是用于描述和控制进程运行的通用数据结构，记录进程当前状态和控制进程进行运行的全部信息，PCB使得进程成为能够独立运行的基本单位。PCB是操作系统进行调度经常会被读取的信息，而且是常驻内存的，存放在系统专门开辟的PCB区域内。

进程与线程

  之前说过进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，而线程是操作系统进行运行调度的最小单位，线程包含在进程之中，是进程中实际运行的工作单位，一个进程可以并发多个线程，每个线程执行不同任务。

	进程	线程
资源	资源分配的基本单位	不拥有资源
调度	独立调度的基本单位	独立调度最小单位
系统开销	进程系统开销大	线程系统开销小
通信	进程IPC	读写同一进程数据通信

  一个进程可以有多个线程，一个进程中的线程共享资源，计算机对进程的调度，实际上是对进程中的线程进行调度

五状态模型

• 创建状态：创建进程时拥有PCB但其它资源尚未就绪的状态称为创建状态，操作系统提供fork函数接口创建进程。
• 就绪状态：当进程被分配到除CPU以外的所有必要资源后，只要再获得CPU的使用权，就可以立即运行。其他资源都转准备好、只差CPU资源的成为就绪状态。
  • 在一个系统中处于就绪状态的进程通常排成一个队列，称为就绪队列。
    
• 执行状态：进程获得CPU，其程序正在执行称为执行状态，再单处理机中，在某个时刻只能有一个进程是处于执行状态。
• 阻塞状态：进程因某种原因如：其他设备未就绪而无法继续执行，从而放弃CPU的状态称为阻塞状态。
  
• 终止状态：程序执行完成。
  

进程同步

  为什么需要进程间的同步呢？先让我们来看一个经典的问题：生产者-消费者问题
生产者-消费者问题：有一群生产者进程在生产产品，并将这些产品提供给消费者进程进行消费，生产者进程和消费者进程可以并发执行，在两者之间设置了一个具有n可缓冲区的缓冲池，生产者进程需要将所生产的产品放到一个缓冲区中，消费者进程可以从缓冲区取走产品消费

由上图我们可以看出，单从生产者程序或消费者程序去看是没问题的，但两者并发执行时就可能会出现差错。如下图：

这里的缓冲区就相当于临界资源。
再来看一个哲学家进餐问题：
有五个哲学家，他们的生活方式时是交替的进行思考和进餐，哲学家们共同使用一张圆桌子，分别坐在周围的五张椅子上，在圆桌上有五个碗和五支筷子。平时哲学家们只进行思考，饥饿时则试图取靠近他们的左、右两只筷子，只有两支筷子都被他拿到的时候才能进餐，进餐完毕后，放下左右筷子继续思考。

出现上图中的问题是什么呢？其根源问题是：彼此之间没有相互通信，如果“生产者通知消费者我已经完成了一件生产”，“哲学家向旁边哲学家说我要进餐了”，就不会出现上图中的问题了，也就是需要进程间的同步。

什么是进程同步呢？当对竞争资源在多个进程间进行使用次序的协调，使得并发执行的多个进程之间可以有效使用资源和相互合作。这里的竞争资源也就是上图中的临界资源，什么是临界资源？临界资源指的是一些虽作为共享资源，却又无法同时被多个线程共同访问的共享资源。当有进程在使用临界资源时，其他进程必须依据操作系统的同步机制，等待占用进程释放该共享资源，才可以重新竞争使用共享资源。
进程同步的原则：

• 空闲让进：资源五占用，允许使用
• 忙则等待：资源有占用，请求进程等待
• 有限等待：保证有限等待时间能够使用资源
• 让权等待：等待时，进程需要让出CPU

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  进程间同步的常用方法：如消息队列，共享存储，信号量。当多个线程并发使用进程资源时，进程内的多线程也需要，因为进程中的资源时进程中线程的共享资源。线程同步的方法有：互斥量、读写锁、自旋锁、条件变量等，这些方法是如何保证线程同步的呢？

• 互斥量：由于多个线程的指令交叉执行，而互斥量可以保证先后执行，即保证原子性。什么是原子性呢？原子性是指一系列操作不可被中断的特性， 这一系列操作要么全部执行完成，要么全部没有执行，不存在部分执行部分未执行的情况
  • 互斥量是最简单的线程同步方法
  • 互斥量（互斥锁），处于两态之一的变量：解锁和加锁
  • 两个状态可以保证资源的串行
• 自旋锁：自旋锁也是一种多线程同步的变量，使用自旋锁的线程会反复检查锁变量是否可用，自旋锁不会让出CPU，是一种忙等待状态，即死循环等待锁被释放。
  • 自旋锁避免了进程或线程上下文切换的开销
  • 操作系统内部很多地方都是使用的自旋锁
  • 自旋锁不适合在单核CPU中使用
• 读写锁：这种锁适用于临界资源多读少写，读取的时候并不会改变临界资源的值。
  • 读写锁是一种特殊的自旋锁
  • 允许多个读者同时访问资源以提高读的性能
  • 对写的操作则是互斥的
• 条件变量
  • 条件变量是一种相对复杂的同步方法
  • 条件变量允许线程睡眠，直到满足某种条件
  • 当满足条件时，可以向该线程发送信号，通知唤醒

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同步方法	描述
互斥锁	最简单的一种线程同步方法，会阻塞线程
自旋锁	避免切换的一种线程同步方法，属于“忙等待”
读写锁	为“读多写少”的资源设计的线程同步方法，可以显著提高性能
条件变量	相对复杂的一种线程同步方法，有更灵活的使用场景

进程同步之共享内存
在某种程度上，多进程是是共同使用物理内存的，由于操作系统的进程管理，进程间的内存空间是独立的，进程默认是不能访问进程空间之外的内存空间的

共享内存就可以打破这个限制，因为有这个共享内存，不同进程就可以通过页表映射到同一个共享内存去，这个共享内存既可以被进程1使用，也可以被进程2使用。

共享存储允许不相关的进程访问同一片物理内存，共享内存是两个进程之间共享和传递数据的最快方式，共享内存未提供同步机制，需要借助其他机制访问。通过共享内存同步的过程就是：申请共享内存->连接到进程空间->使用共享内存->脱离进程空间并且删除。共享内存是高性能后台开发中最常用的同步方式。
进程同步之Unix域套接字
域套接字是一种高级的进程间通信的方法，Unix域套接字可以用于同一台机器进程间通信。其运行过程是创建套接字->绑定（bind）套接字->监听（listen）套接字->接收&处理信息。域套接字提供了简单可靠的进程通信同步服务，只能在单机使用，不能跨机器使用。

Linux的进程管理

Linux进程的相关概念：

进程类型：

1. 前台进程：前台进程就是具有终端，可以和用户交互的进程
2. 后台进程：
   • 与前台进程相对，没有占用终端的就是后台进程
   • 后台进程基本上b不和用户交互，优先级比前台进程低
   • 将需要执行的命令以“&”符号结束
3. 守护进程(daemon)：特殊的后台进程
   • 很多守护进程在系统引导的时候启动，一直运行到系统关闭
   • Linux系统有很多典型的守护进程。例如：crond,sshd,httpd,mysqld等，进程名字以“d”结尾的一般都是守护进程。
     进程标记：

• 进程ID
  • 进程ID是进程的唯一标记，每个进程拥有不同的ID
  • 进程ID表现为一个非负整数，最大值由操作系统限定
  • 操作系统提供fork()函数接口创建进程。例如进程A调用fork接口创建了进程B，进程B调用fork接口创建了进程C，那此时进程A和进程B就存在父子进程关系，进程A是父进程，进程B是子进程。进程的父子关系可以通过pstree命令查看。

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ID为0的进程是idle进程，是系统创建的第一个进程，ID为1的进程init进程，是0号进程的子进程，完成系统初始化，Init进程是所有用户进程的祖先进程。

• 进程的状态标记

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Linux中进程的状态如下：

状态符号	状态说明
R	(TASK_RUNNING)，进程正处于运行状态
S	(TASK_INTERRUPTIBLE)，进程正处于睡眠状态
D	(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，进程正处于IO等待的睡眠状态
T	(TASK_STOPPED)，进程正处于暂停状态
Z	(TASK_DEAD or EXIT_ZOMBIE)，进程正处于退出状态，或僵尸进程

操作Linux进程的相关命令

• ps命令：ps命令常用于显示当前进程的状态，ps命令常配合aux参数或ef参数和grep命令检索特定进程
• top命令
• kill命令：kill命令发送指定信号给进程，kill-l可以查看操作系统所支持的系统

作业管理

作业管理之进程调度

  进程调度是指计算机通过决策，决定哪个就绪进程可以获得CPU使用权。通俗来说就是保留旧进程的运行信息，请出旧进程（收拾包袱），选择新进程，准备运行环境并分配CPU（新驻进）。那么是如何进行进程的调度的呢？

• 就绪队列的排队机制：将就绪进程按照一定的方式排成队列，以便调度程序可以最快找到就绪进程。
• 选择运行进程的委派机制：调度程序以一定的策略选择就绪进程，将CPU资源分配给它
• 新老进程的上下文切换机制：保存当前进程的上下文信息，装入被委派执行进程的运行上下文

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  进程的调度方式分为抢占式调度和非抢占式调度。非抢占式调度是指处理器一旦分配给某个进程，就让该进程一直使用下去，调度程序不以任何原因抢占正在被使用的处理器，直到进程完成工作，或因为IO阻塞才会让出处理器；抢占式调度是指允许调度程序以一定的策略，暂停当前运行的进程，保存好进程的上下文信息，分配处理器给新进程。

	抢占式调度	非抢占式调度
系统开销	频繁切换，开销大	切换次数少，开销小
公平性	相对公平	不公平
应用	通用系统	专用系统

进程调度算法

• 先来先服务调度算法
• 短进程优先调度算法：调度程序优先选择就绪队列中估计运行时间最短的进程；短进程优先调度算法不利于长作业进程的运行
• 高优先权优先调度算法：进程附带优先权，调度程序优先选择权最高的进程，高优先权优先调度算法使得 紧迫的任务可以处理
• 时间片轮转调度算法：按先来先服务的原则排列就绪进程，每次从队列头部取出待执行进程，分配一个时间片执行；是相对公平的调度算法，但不能保证及时响应用户

作业管理之死锁

  死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞现象，若无外力作用，他们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。
死锁的产生

• 竞争资源：共享资源数量不满足各个进程需求，各个进程 之间发生资源竞争导致死锁，
• 进程调度顺序不当
  死锁的四个必要条件：
• 互斥条件：进程对资源的使用是排他性的使用，某资源只能由一个进程使用，其他进程需要使用只能等待
• 请求保持条件：进程至少保持一个资源，又提出新的资源请求，新资源被占用，请求被阻塞，被阻塞的进程不释放自己保持的资源
• 不可剥夺条件：进程获得的资源在未完成使用前不能被剥夺，获得的资源只能由进程自生释放
• 环路等待条件：发生死锁时，必然存在进程-资源环形链
  死锁的处理
• 预防死锁的方法
  • 摒弃请求保持条件：系统规定进程运行之前，一次性申请所有需要的资源，进程在运行期间不会提出资源的请求，从而摒弃请求保持条件
  • 摒弃步课剥夺条件：当进程请求一个新的资源得不到满足时，必须释放占有的资源，当进程运行时占有的资源可以被释放，意味着可以被剥夺
  • 摒弃环路等待条件：可用资源线性排序，申请必须按照需要递增申请，线性申请不在形成环路，从而摒弃了环路等待条件
• 银行家算法：银行家算法是一个可操作得著名得避免死锁得方法，以银行借贷系统分配策略为基础的算法。
  • 客户申请的贷款是有限的，每次申请须声明最大资金量
  • 银行家在能够满足贷款时，都应该给用户贷款
  • 客户在使用贷款后，能够及时归还贷款。
    

根据还需要分配的资源表，对比可分配资源表，先给能够满足贷款的用户，给用户贷款，即图中的P2，P2使用完资源后，需要及时归还资源

存储管理

  早期计算机编程并不需要过多的存储管理，随着计算机和程序越来越复杂，存储管理成为必要。

• 确保计算机有足够的内存处理处理数据
• 确保程序可以从可用内存中，获取一部分内存使用
• 确保程序可以归还使用后的内存，已供其他程序使用

存储管理之内存分配与回收

内存分配的过程

• 单一连续分配：单一连续分配是最简单的内存分配方式，只能在单一用户、单进程的操作系统中使用
  
• 固定分区分配：固定分区分配是支持多道程序的最简单的存储分配方式，内存空间被划分成若干个固定大小的区域，每个分区只提供给一个用户使用，互不干扰
  
• 动态分区分配：根据进程实际需要，动态分配内存空间，相关数据结构、分配算法如下：
  • 动态分区空闲表数据结构：对空闲区进行标记，0表示空闲区，1表示已被使用
    
  • 动态分区空间链数据结构
    
  • 首次适应算法（FF算法）：分配内存时从开始，顺序查找适合内存区，若没有合适的空闲区，则该次分配失败；每次从头部开始，使得头部地址不断被划分
  • 最佳适应算法（BF算法）：最佳适应算法要求空闲链表按照容量大小排序，遍历空闲链表找到最佳合适的空闲区
  • 快速适应算法（QF算法）：快速适应算法要求有多个空闲区链表，每个空闲区链表存储一种容量的空闲区

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内存回收的过程

情况一：不需要新建空闲链表节点，只需要把空闲区1的容量增大为空闲区即可；情况二：将回收区与空闲区合并，新的空闲区使用回收区的地址；情况三：将空闲区1、空闲区2和回收区合并，新的空闲区使用空闲区1的地址；情况四：为回收区创建新的空闲节点，插入到相应的空闲区链表中去。

存储管理之段页式存储管理

  由于每个进程都有自己独立的进程空间，那操作系统是如何管理进程的空间呢？

• 页式存储管理：
  • 将进程逻辑空间等分为若干大小的页面
  • 相应的把物理内存空间分成与页面大小的物理块
  • 以页面为单位把进程空间装进物理内存中分散的物理块
    
    页表：页表记录了进程逻辑空间与物理空间的映射
    

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现代计算机系统中，可以支持非常大的逻辑地址空间（$2^{32}$~$2^{64}$），这样，页表就变得非常大，要占用非常大的内存空间，如具有32位逻辑地址空间的分页系统，规定页面大小为4KB，则在每个进程页表中的页表项可达1M（32位系统进程的寻址空间为4G，4G/4KB=1M）个，如果每个页表项占用1Byte，故每个进程仅仅页表就要占用1M的内存空间。

• 段式存储管理
  • 将进程逻辑空间划分成若干段（非等分）
  • 段的长度由连续逻辑的长度决定
  • 主函数MAIN，子程序段X，系函数Y等
    

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  段式存储和页式存储都离散地管理了进程的逻辑空间。页是物理单位，段是逻辑单位，分页是为了合理利用空间，分段是为了满足客户需求；页大小由硬件空间，段长度可动态变化；页表信息是一维的，段表信息是二维的。

• 段页式存储管理：由于分页可以有效提高内存利用率（虽然说存在内存碎片），分段可以满足用户需求，我们可以将两者结合，形成段页式存储管理。
  • 先将逻辑空间按段式管理分成若干段
  • 再把段内空间按页式管理等分成若干页
    
    

存储管理之虚拟内存

  思考：一个游戏十几个G，物理内存只有4G，那这个游戏是如何运行起来的呢？

有些进程实际需要的内存很大，超过物理内存的容量，多道程序设计，使得每个进程可用物理内存更加稀缺，不可能无限增加物理内存，物理内存总有不够的时候，这个时候就需要虚拟内存了。虚拟内存是操作系统内存管理的关键技术，使得多道程序运行和大程序运行成为现实，把程序使用内存划分，将部分暂时不使用的内存放置在辅存。

程序的局部性原理：局部原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于集中在一个较小的连续区域中。

• 程序运行时，无需全部装入内存，装载部分即可
• 如果访问页不在内存，则发出缺页中断，发起页面置换
• 从用户层面看，程序拥有很大的空间，即是虚拟内存
• 虚拟内存实际是对物理内存的补充，速度接近于内存，成本接近于辅存

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虚拟内存的置换算法：和我在《计算机组成原理》这篇博客中的高速缓存的置换策略差不多，这里就不详细介绍了。

• 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)

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高速缓存的替换策略发生在Cache-主存层次，只要是为了解决速度问题；虚拟内存的替换策略发生在主存-辅存层次，主要是为了解决容量问题。

Linux的存储管理

Buddy内存管理算法

• Buddy算法是经典的内存管理算法
• 算法基于计算机处理二进制的优势具有极高的效率
• 算法主要是为了解决内存外碎片的问题

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页内碎片：内部碎片是已经被分配出去（能明确指出属于哪个进程）的内存空间大于请求所需的内存空间，不能被利用的内存空间就是内部碎片。
页外碎片：外部碎片是指还没有被分配出去（不属于任何进程），但是由于大小而无法被分配给申请内存空间的新进程的内存空闲块。
Buddy是伙伴的意思，这里的”伙伴“指的是内存的”伙伴“，一片连续内存的”伙伴“是相邻的另一片大小一样的连续内存
Buddy内存管理算法执行过程：创建一系列空闲块链表，每一种都是2的幂 --> 现在需要分配100kb内存 --> 回收刚才分配的内存

Linux的交换空间

  交换空间（Swap）是磁盘的一个分区，Linux物理内存满时，会把一些内存交换至Swap空间，Swap空间是初始化系统时配置的。

冷启动内存依赖：对于一些大型的应用程序，在启动的过程中需要使用大量的内存，但是这些内存很大一部分只是在启动的时候使用一下，在运行的时候很少使用到这部分内存，因此有了这个交换空间，系统就可以将这个部分不怎么使用的内存数据保存在SWAP空间中，从而释放跟多的物理内存，提供给这个系统使用。

系统睡眠依赖： 当Linux系统需要睡眠的时候，它就会把系统中的所有数据都保存在swap空间内，等下次这个系统需要启动的时候，才把这些数据重新加载到内存中里面，这样就可以加快系统的启动速度。

大进程空间依赖：有些进程确实需要使用大量的内存空间，但是物理内存不够使用，因此需要把这些进程需要使用的内存暂时保存到交换空间中，使得这个大的进程也可以运行起来

Swap空间和虚拟内存的对比：

–	Swap空间	虚拟内存
存储位置	Swap空间存在于磁盘	虚拟内存存在于磁盘
置换层次	Swap空间与主存发生置换	虚拟内存与主存发生置换
所属概念	Swap空间是操作系统概念	虚拟内存是进程概念
解决的问题	Swap空间解决系统物理内存不足问题	虚拟内存解决进程物理内存不足的问题

操作系统的文件管理

文件的逻辑结构

• 逻辑结构的文件类型
  • 有结构文件：例如文本文件、文档、媒体文件等
    • 文件内容由定长记录和可变记录组成
    • 定长记录存储文件格式、文件描述等结构化数据项
    • 可变长记录存储文件具体内容等
  • 无结构文件：例如二进制文件、链接库等
    • 也称为流式文件，如exe文件、dll文件、so文件等
    • 文件内容长度以字节为单位
• 顺序文件
  • 顺序文件是指按顺序存放在存储介质中的文件
  • 磁带的存储特性使得磁带文件只能存储顺序文件
  • 顺序文件是所有逻辑文件当中存储效率最高的
• 索引文件
  • 可变长文件不适合使用顺序文件格式存储
  • 索引文件是为解决可变长文件存储而发明的一种文件格式
  • 索引文件需要配合索引表完成存储的操作

辅存的存储空间分配

• 辅存的分配方式
  • 连续分配：顺序读取文件内容非常容易，速度很快，对存储要求高，要求满足容量的连续存储空间
  • 链接分配：链接分配可以将文件存储在离散的盘块中，需要额外的存储空间存储文件的盘块链接顺序
    • 隐式链接：隐式分配的下一个链接指向存储在当前盘块内，隐式分配适合顺序访问，随机访问效率低，可靠性差，任何一个链接出问题都会影响整个文件
      
    • 显示链接：不支持高效的直接存储（FAT记录项多），检索时FAT表占用较大的存储空间（需要将整个FAT表加载到内存）
      
  • 索引分配：把文件的所有盘块集中存储（索引），读取某个文件时，将文件索引读取进内存即可
    
    每个文件拥有一个索引块，记录所有盘块信息，索引分配方式支持直接访问盘块，文件较大时，索引分配方式具有明显优势
• 存储空间管理
  • 空闲表：空闲盘区的分配与内存的分配相似，首次适应算法、循环适应算法等，回收过程也与内存回收类似
  • 空闲链表：空闲链表法把所有空闲盘区组成一个空闲链表，每个链表节点存储空闲盘块和空闲的数目
  • 位示图：位示图维护成本很低，可以非常容易找到空闲盘块，位示图使用0/1比特位，占用空间小

目录管理

  任何文件或目录都只有唯一路径。文件常见的描述信息有：文件标识符、文件类型、文件权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间、索引节点编号、文件状态、访问计数、链接指针等。

Linux文件基本操作

Linux目录

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-RsqrDmJ2-1594277434733)(https://img2020.cnblogs.com/blog/1975191/202005/1975191-20200530113207431-390099053.png)]

目录	描述
/bin	存放二进制可执行文件(ls,cat,mkdir)，常用的命令都在该目录下
/etc	存放系统管理和配置文件
/home	存放所有用户文件的根目录，使用户目录的基点，比如用户user的主目录就是/home/user
/usr	用户存放系统应用程序，比较重要的目录/usr/local本地系统管理员软件安装目录
/opt	额外安装的可选应用程序包所放置的位置
/proc	虚拟文件系统目录，是系统内存的映射，可直接访问这个目录来获取系统信息
/root	系统管理员的主目录
/sbin	存放二进制可执行文件，只有root才能当问
/dev	用于存放设备文件
/mnt	系统管理员安装临时文件系统的安装点，系统提供这个目录是让用户临时挂载其他的文件系统
/boot	存放用于系统引导时使用的各种文件
/lib	存放跟文件系统种的程序运行所需要的共享库及内核模块
/var	用于存放运行时需要改变数据得文件

Linux文件常用操作

  创建文件：touch file 修改文件：vim file 查看文件：cat file 删除文件：rm file 创建文件夹：mkdir dir 删除文件夹：rm dir/ 该方式会提示，不能删除文件夹 递归删除文件夹：rm -r dir/ 进入文件后，通过ls -al 命令可以查看该文件的文件类型，即第一个字符

Linux文件类型

  Linux的文件类型有：套接字(s)、普通文件(-)、目录文件(d)、符号链接(b、c)、设备文件、FIFO§

Linux文件系统

文件系统概览

• FAT(File Allocation Table)：例如FAT16、FAT32等，微软Dos/Windows使用的文件系统，使用一张表保存盘块的消息
• NTFS(New Technology File System)：WindowsNT环境文件系统，NTFS对FAT进行了改进，取代了旧的文件系统
• EXT(Extended file System)：扩展文件系统，这个是Linux的文件系统，EXT2/3/4数字表示第几代。
  • Boot Selector：启动扇区，安装开机管理程序
  • Block Group：块组，存储数据的实际位置

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EXT文件系统

Inode Table是存放文件Inode的地方，每一个文件（目录）都有一个Inode，是每一个文件（目录）的索引节点。文件名不是存放在Inode节点上的，而是存放在目录的Inode节点上，列出目录文件的时候无需加载文件的Inode。Inode bitmap即Inode的位示图，记录已分配的Inode和未分配的Inode。Data block是存放文件内容的地方，每个block都有唯一的编号，文件的block记录在文件的Inode上。Block bitmap功能与Inode bitmap类似，记录Data block的使用情况。superblock是记录整个文件系统相关信息的地方，包括block和Inode的使用情况，以及时间、控制信息等。

命令 df -T：查看该系统所挂载的磁盘信息，查看文件系统的Inode信息：dumpe2fs 指定某个一设备，如 dumpe2fs /dev/sda2，使用超级管理员权限查看：sudo dumpe2fs /dev/sda2，查看文件的具体信息：stat dumpe2fs.log，文件重命名： mv dumpe2fs.log dumpe2fs.bak.log。Inode编号才是文件的唯一标记，文件名不是文件的唯一标记。

操作系统的设备管理

广义的IO设备

  对CPU而言，凡是对CPU进行数据输入的都是输入设备；对CPU而言，凡是CPU进行数据输出的都是输出设备

• 按使用特性分类
  • 存储设备：U盘、内存、磁盘等
  • 交互IO设备：键盘、显示器、鼠标等
• 按信息交换的单位分类
  • 块设备：磁盘、SD卡
  • 字符设备：打印机、Shell终端
• 按设备的共享属性分类：独占设备、共享设备、虚拟设备
• 按传输速率分类：底速设备、中速设备、高速设备

IO设备的缓冲区

  由于CPU与IO设备的速率不匹配，所以需要IO设备缓冲区，这样可以减少CPU处理IO请求的频率，提高CPU与IO设备之间的并行性。专用缓冲区只适用于特定的IO进程，当这样的IO进程比较多时，对内存的消耗也很大，操作系统划出可供多个进程使用的公共缓冲区，称之为缓冲池。

SPOOLing技术

  SPOOLing技术是关于慢速字符设备如何与计算机主机交换信息的一种技术，利用高速共享设备将低速的独享设备模拟为高速的共享设备。逻辑上，系统为每一个用户都分配了一台独立的高速共享设备。SPOOling技术把同步调用低速设备改为异步调用。SPOOLing技术在输入、输出之间增加了排队转储环节（输入井、输出井），SPOOLing技术负责输入（出）井与低速设备之间的调度，逻辑上，进程直接与高速设备交互，减少了进程的等待时间。