三、操作系统知识（2）
3.存储管理
对象：主存（内存）
存储器：计算机系统中关键性资源信息存储的主要场所。
主要功能：分配、回收主存空间；提高主存的利用率；存信息实现有效保护（主）
发展方向：高速、大容量、小体积
虚拟地址：即，相对地址、程序地址、逻辑地址、符号地址、名地址
名空间——（汇编或编译，链接编辑程序加工）>逻辑地址空间（相对地址空间）——（地址再定位）>物理地址空间（绝对地址空间）
存储空间：逻辑地址空间（地址空间）、物理地址空间（存储空间）；地址的集合
地址重定位：逻辑地址变换为主存物理地址
解决可执行文件中地址（指令、数据）与主存地址的对应关系
由装入程序Loader、地址重定位机构完成
分类：
1.静态重定位：loader完成，无需地址重定位机构支持。执行期间不发生变化。缺点：分配连续的存储区域；执行期间不能扩充存储空间，不能再主存中移动；难以空想主存中同一程序的副本和数据。
2.动态重地位：换入、换出主存，解决主存紧张；在主存中移动，碎片集中，充分利用空间；利用小的主存块，不必分配连续的空间；共享
存储管理：
目的：解决多用户使用主存问题
必须为每个作业分配足够的空间，以便装入全部信息。当主存空间不能满足作业要求，作业便无法装入主存执行。
分类：
1.分区存储：主存的用户区分成若干个区域，每个区域分配给一个用户作业使用。
（1）固定分区：系统生成时划分的，大小可不等。已分配区中存在未使用空间。
（2）可变分区：作业装入时进行，个数可变，分区大小等于作业大小。最佳适应算法、最差适应算法、首次适应算法、循环首次适应算法。不断分配、回收，产生了外碎片。
（3）重定位分区：移动所有已分配好的去，使之成为连续的分区。解决碎片问题
分区保护的目的：防止未经审核的用户访问分区。
上界/下界寄存器保护、基址/限长寄存器保护
2.分页存储
优点：分页过程由操作系统完成，对用户透明，用户不必关心分页过程
缺点：不易实现共享
（1）纯分页：进程地址空间划分为若干大小相等的区域，称为页；将主存空间划分成与页相同大小的若干个物理块，称为块、页框。将进程的每一页离散地分配到主存的多个物理块中。
页表：保证在主存中找到每个页面所对应的物理块。实现从页号到物理块号的地址映射。
地址映射：至少访问两次主存。1.得到数据物理地址；2.存取数据，若数据是间接地址，还需要再次变换
地址变换机构：利用页表把用户程序中的逻辑地址变换成主存中的物理地址（将用户程序中的也好变换成主存中的物理块号）。页表寄存器->物理地址寄存器，或越界中断
快表：小容量的联想存储器，由一组快速存储器组成。保存当前访问频率高的少数活动页的页号、相关信息。
根据数据所在逻辑页好在联想存储器中找出对应的物理页号。查找联想存储器、查找主存页表是并行进行的。一旦在联想存储器中找到相符的逻辑也好，就停止查找主存页表
两级页表机制：为了减少页表所占用的连续内存空间
每个进程页表占用主存空间是连续的，如果页表占用大，则连续并不现实。
原理：将页表进行分页。每页大小与主存物理块大小相同，离散地将各个页面分别存放在不同的物理块中。外层页表：第一级页表，存放某个页表的物理地址；第二级页表：存放页的物理块号。
3.分段存储管理：作业的地址空间被划分为若干个段，每段是一组完整的逻辑信息。（主程序段、子程序段、数据段、堆栈段……）每段分配一个连续的分区，进程中的各段可以离散地分配到主存的不同分区中。
优点：易于实现段共享，对段的保护很简单。
段表:为每个进程建立一张段映射表。逻辑段->物理主存
4.段页式存储：
具有分页系统有效提高主存利用率的优点，又具有分段系统能很好满足用户需要的长处。
先将整个贮存划分成大小相等的存储块（页架），将用户程序按程序的逻辑关系分为若干段。每段分为若干页，以页架为单位离散分配。
系统中必须同时配置段表、页表
虚拟存储管理：
作业只部分装入主存便可开始启动运行，其余部分暂时留在磁盘上，需要时再装入主存。
优点：可有效地利用主存空间。从用户角度看，系统所具有的主存容量比实际主存容量大的多。
程序局部性原理：程序执行时呈现出局部性规律（在一段时间内，程序的执行仅局限于某个部分，所访问的存储空间也局限在某个区域）。
表现：时间局限性（循环操作）、空间局限性（顺序执行）
虚拟存储器：
功能：请求调入、置换
仅把作业的一部分装入主存便可运行作业，能从逻辑上对主存容量进行扩容
逻辑容量：由主存、外存容量之和；CPU可寻址的范围来决定。运行速度接近于主存速度，成本低。
分类：
1.请求分页系统：在纯分页基础上，增加了请求调页功能、页面置换功能。应用程序一部分仍在内存上，因此页表中再增加若干项（状态位、访问字段、辅存地址……）供程序在换进、换出时参考。
缺页中断：要访问的不在主存，产生一个缺页中断，请求OS将所缺的页调入主存。由缺页中断机构完成
2.请求分段系统
3.请求段页式系统
页面置换算法：
直接影响系统的性能。不是当的算法会导致系统发生“抖动”（颠簸，刚换出的页很快又被访问，需要重新调入）。核心问题：徐泽合适的页面置换算法
1.最佳：Optimal，理想化算法。选择那些永不使用、最长时间内不再被访问的页面置换出去。性能最好，实际你那一实现，通常用来评价其他算法。
2.先进先出：FIFO,总是淘汰最先进入主存的页面（选择在主存中驻留时间最久的页面予以淘汰）。
先后次序链接成一个队列，并设置一个指针即可。
最直观、性能最差的算法。有BELADY异常现象。
3.最近最少未使用：LRU,每个页面设置一个访问字段（记录这个页面自上次被访问以来所经历的时间T），选择T最大的淘汰。需要硬件（寄存器、栈）支持
4.最近未用：NUR,将最近一段时间未用过的页面患处。之中LFU的近似算法
每个页面设置一个访问位，见贮存所有页面通过链接指针链成一个循环队列。若页被访问，设置为+1.选择淘汰是，设置-1，循环查找直到访问位为0的页面为止。访问位：表示该页是否使用过。
工作集：某段时间间隔里，进程实际要访问的页面集合
4.设备管理
操作系统中最繁杂，与硬件紧密相关的部分。
设备：外部设备（外设），计算机系统与外界交互的工具，负责计算机与外部输入输出工作。
I/O系统：负责管理输入、输出的机构。由设备、控制器、通道（具有通道的计算机系统）、总ian、I/O软件组成
分类：
数据组织：块设备、字符设备
资源分配角度：独占设备（用户终端、打印机）、共享设备（磁盘）、虚拟设备（通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台供多个用户（进程）共享的逻辑设备，脱假机技术）
数据传输率：低速设备（键盘、鼠标、语音输入）、中速设备（行式打印机、激光打印机）、高速设备（磁带机、磁盘机、光盘机）
设备管理：
目标：提高设备的利用率（提高CPU和I/O设备之间的并行操作程度），为用户提供方便、统一的界面
技术：中断技术、DMA技术、通道技术、缓冲技术
I/O软件:
基本思想：分层构造。低层与硬件相关；高层提供友好、清晰、统一的接口
主要目标：设备独立性、统一命名
分四层：中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的系统软件、用户级软件。
设备管理相关技术：
1.通道技术：
通道：使数据传输独立于CPU，使CPU从繁忙的I/O工作中解脱出来。
信息交换方式分类：字节多路通道、数组选择通道、数组多路通道
通道价格昂贵，系统中通道数目有限，成为输入、输出的“瓶颈”问题
2.DMA技术（直接主存存取）
数据在主存与I/O设备间，直接成块传送。
不需CPU干涉，只需CPU在开始时向设备发出“传送一块数据的命令”，在结束时，通过轮询、中断得知过程是否技术，下次操作是否就绪。
实际操作由DMA硬件直接执行完成，CPU可在传送过程中做别的事情。
3.缓冲技术：硬件缓冲（专门的硬件寄存器）、软件缓冲（操作系统管理）
提高外设利用率，尽可能使外设处于忙碌状态。
（1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
（2）减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制
（3）提高CPU和I/0设备间的并行性
所有I/O设备与处理机（主存）间都使用了缓冲区来交换数据。
缓冲；单缓冲、双缓冲、多缓冲、环形缓冲
4.Spooling技术：外围设备联机操作、假脱机系统
用一类物理设备模拟另一类物理设备，使独占使用的设备变成多台虚拟设备，达到速度匹配。
组成：预输入程序、缓输出程序、井管理程序、输入输出井
文件系统：文件管理系统
操作系统中实现文件统一管理的一组软件、相关数据的集合，专门负责管理、存取文件信息的软件机构
将用户的逻辑文件按一定的组织方式转换成物理文件存放到文件存储器上。即每个文件与该文件在磁盘上的存放位置建立的对应关系。
功能：按名存取；统一的用户接口；并发访问、控制；安全性控制；优化性能；差错恢复
分类：
文件性质、用途：系统文件、库文件、用户文件
信息保存期限：临时文件、档案文件、永久文件
保护方式：只读文件、读写文件、可执行文件、不保护文件
UNIX：普通文件、目录文件、设备文件
文件的结构：
文件的组织形式
文件的逻辑结构：从用户角度看到的文件组织形式。
分类：
1.有结构的记录式文件：一个以上的记录构成的文件。长度：记录数目
记录：描述一个实体集的，有着相同或不同数目的数据项。长度分类：定长记录、变长记录
2.无结构的流式文件：由一串顺序字符流构成的文件。长度：字节
文件的物理结构：从实现角度看文件在文件存储器上的存放方式。
分类：
1.连续结构：顺序结构，逻辑上连续的文件信息依次存放在连续编号的物理块上。批量存取，效率最高；交互应用场合，性能较差；不便于记录的增加、删除（配置一个运行文件（事务文件）优化）。
2.链接结构：串联结构，逻辑上连续的文件信息存放在不连续的物理块上，使用指针指向下一个，按链指针查找整个文件
3.索引结构：索引结构，逻辑上连续的文件信息存放在不连续的物理块上，为每个文件建立一张索引表。
4.多个物理块的索引表：文件建立时由系统自动建立的，与文件一并存放在同一文件卷上。
文件大小不同，索引表占用物理块个数不等。
组织方式：链接文件、多重索引方式
文件目录：文件控制块的有序集合，专门用于文件的检索
组织方式：影响文件的存取速度、共享性、安全性
1.一级目录结构：优：结构简单。缺：查找速度慢；不允许重名；不便于文件共享……。主要用于单用户环境
2.二级目录结构：主文件目录+用户目录。优：提高检索速度，较好解决重名问题。缺点：用户间不便于共享。
3.多级目录结构：树形目录结构。倒置的有根树，从树根向下，每个枝节点是目录，叶节点是文件。多道程序设计系统。
要访问文件，必须指出文件所在路径。
文件控制块：FCB，文件的说明，文件目录项，目录项。
描述、控制一个文件的数据结构，至少包括文件名，存取的物理地址。
组成：基本信息类，存取控制信息类，使用信息类
形式：FAT,Vfat,NTFS,Ext2,HPFS^
文件存取方法：
1.顺序存取：严格按物理记录排列的顺序依次执行
2.随机存取
直接存取法：存取文件中任意一个物理记录
按键存取法：根据文件各记录的某个数据项内容来存取记录的。直接存取法的一种。
文件存储空间管理：
磁盘分配表：外存空闲管理的数据结构
空闲空间管理方法：
1.位示图：每一位对应文件存储器上的一个物理块，取值0（空闲）、1（占用）。大小由磁盘空间大小（物理块总数）决定。描述能力强，适合各种物理结构。
2.空闲区表：适用于连续文件结构
3.空闲块链：所有空闲物理块构成一个链表，用指针指向。不需要分配磁盘分配表，节省空间。
4.成组链接法：空闲块分为若干组，每组的第一个空闲块等级了下一组空闲块的物理盘块号、空闲块总数
文件的使用：
操作系统向用户提供文件服务方式：1.操作级：命令集。目录管理类命令、文件操作级命令、文件管理类命令……2.编程级：系统调用，函数
文件共享：节省大量主存空间（减少文件复制），减少访问外存次数。采用文件名、文件说明分离的目录结构有利于实现文件共享。
文件链接：
1.硬链接：不同文件名与同一个文件实体链接。不利于删除（先关闭硬链接，再删除文件）；不能跨越文件系统的
2.符号链接：在建立的新文件、目录并与原来文件、目录的路径名进行映射。优：可以跨越文件系统，设置可以同通过网络连接到任何的机器中的文件，只需提供该机器的地址及机器中的文件路径。缺点：读盘次数多。需要根据文件路径名逐个分量的查找目录，多次读盘。而硬链接的共享文件的目录表中已经包括了文件的索引节点。
文件保护：常采用存取控制方式进行。
存取控制：不同用户对文件的访问规定不同的权限，防止文件被未经文件主同意的用户访问。
1.存取控制矩阵：二维矩阵（全部用户，全部文件）。权限：可读、可写、可执行、组合。概念：简单、清楚；实现：困难（用户、文件数大，则暂用存储空间大，验证过程也耗费时间）。
2.存取控制表：按用户对文件访问权来对用户分类。一个文件往往只与几个分类有关，从而使存取控制表（存放在每个文件的文件控制块中）大为简化。
3.用户权限表：以用户、用户组为单位将用户可存取的文件集中起来存入表中，每个表目对应该用户、用户组的存取权限
4.密码：文件存入磁盘时用密码对文件内容加密。只有知道密码得到用户才能读取文件。
系统的安全性、可靠性
系统的安全：
1.涉及到技术、管理、法律、道德、政治……问题
2.涉及操作系统的安全机制。
管理：不允许未经授权的用户进入系统。
1.系统级：注册、登陆
2.用户级：对所有用户分类，对指定用户分配权限
3.目录级：保护系统中的各种目录而设计的，与用户权限无关。为了保证目录安全，规定只有系统核心才具有写目录的权利。
4.文件级：系统管理员、文件主对文件属性的设置（只执行、隐含、只读、读写、共享、系统）来控制用户对文件的访问。用户对文件的访问=用户访问权&目录访问权&文件属性=有效权限&文件属性。
文件系统的可靠性：
系统抵抗、预防各种物理性破坏、人为性破环的能力。
文件系统破坏比起计算机的损害往往更加严重，且多数情况下无法恢复。
1.转储、恢复：形成文件、文件系统的多个副本。静态转储、动态转储、海量转储、增量转储
2.日志文件：对文件的增删改操作写入直至文件用来进行文件恢复。
3.文件系统的一致性：信息在内存修改完毕写回磁盘前，系统崩溃，文件会出现不一致。对于索引节点块、目录块、空闲块，后果更加严重。采用文件系统的一致性检查（块的一致性检查、文件的一致性检查。）
