編程必備基礎之操作系統

編程必備基礎之操作系統_網頁設計公司

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操作系統概述

操作系統是管理計算機硬件和軟件資源的計算機程序，管理配置內存、決定資源供需順序、控制輸入輸出設備等。操作系統提供讓用戶和系統交互的操作界面。操作系統的種類是多種多樣的，不局限於計算機，從手機到超級計算機，操作系統可簡單也可複雜，在不同的設備上，操作系統可向用戶呈現多種操作。因為我們不可能直接操作計算機硬件，而且設備種類繁多，需要一個統一的界面，因此有了操作系統，操作系統的簡易性使得更多人能使用計算機。常見的操作系統有：Windows、Linux、MacOS、Android等，總結一句話就是：操作系統是管理硬件、提供用戶交互的軟件系統。

操作系統的基本功能
- 操作系統統一管理着計算機資源。這些計算機資源包括處理器資源、存儲器資源、IO設備資源和文件資源等。
- 操作系統實現了對計算機資源的抽象。即用戶無需面向硬件接口編程；IO設備管理軟件，提供獨寫接口；文件管理軟件，提供操作文件的接口。
- 操作系統提供了用戶和計算機之間的接口。例如圖像窗口形式、命令行形式和系統調用形式等。

操作系統的相關概念
- 併發性：說到併發就不得不提一下并行性，并行性是指兩個或多個事件可以在同一時刻發生，而併發性是指兩個或多個事件可以在同一個時間間隔發生。
- 共享性：多個程序可以同時使用主存資源，資源共享根據屬性分為互斥共享和同時訪問兩種形式
  - 互斥共享形式：當資源被程序A佔用時，其他想使用的話就只能等待，只有進程A使用完以後，其他進程才可以使用該資源。
  - 同時訪問形式：某種資源在一段時間內併發地被多個程序訪問，這種"同時"是宏觀的，從宏觀去看該資源可以被同時訪問
- 虛擬性：虛擬性表現為把一個物理實體轉為若干個邏輯實體，物理實體是真實存在的，邏輯實體是虛擬的，虛擬的技術主要有時分復用技術和空分復用技術。
  - 時分復用技術：資源在時間上進行復用，不同程序進行併發使用，多道程序分時使用計算機的硬件資源，提高資源的利用率
    - 虛擬處理器技術：藉助多道程序設計技術，為每個程序建立進程，多個程序分時復用處理器
    - 虛擬設備技術：物理設備虛擬為多個邏輯設備，每個程序佔用一個邏輯設備，多個程序通過邏輯設備併發訪問
  - 空分復用技術：空分復用技術用來實現虛擬磁盤、虛擬內存等，提高資源利用率，提高編程效率
    - 虛擬磁盤技術：物理磁盤虛擬為邏輯磁盤，例如C、D、E等邏輯盤，使用起來更加安全方便
    - 虛擬內存技術：在邏輯上擴大程序的存儲容量，使用比實際內存更大的容量，大大提升編程效率
- 異步性：在多道程序環境下，允許多個進程併發執行，進程在使用資源時可能需要等待和放棄，進程的執行並不是一氣呵成的，而是以走走停停的形式推進

進程管理

為什麼需要進程呢？在沒有配置OS（操作系統）之前，資源屬於當前運行的程序，配置OS之後，引入多道程序設計的概念，可以合理的隔離資源、運行環境、提升資源利用率。進程是系統進行資源分配和調度的基本單位，進程作為程序獨立運行的的載體保障程序正常運行，進程的存在使得操作系統資源的利用率大幅提升。

進程管理之進程實體

主存中得進程形態

標識符：標識符唯一標記一個進程，用戶區別其他進程，如進程id

狀態：標記進程的進程狀態，如：運行態

程序計數器：指向進程即將被執行的下一條指令的地址

內存指針：程序代碼，進程數據相關指針

上下文數據（重要）：進程執行時處理存儲器的數據

IO狀態信息：被進程IO操作時所佔用的文件列表

記賬信息：使用處理器時間、時鐘數總和等。

由此可知，主存中的進程形態主要包括進程標識符，處理機狀態，進程調度信息，進程控制信息等。其中進程控制塊（PCB）是用於描述和控制進程運行的通用數據結構，記錄進程當前狀態和控制進程進行運行的全部信息，PCB使得進程成為能夠獨立運行的基本單位。PCB是操作系統進行調度經常會被讀取的信息，而且是常駐內存的，存放在系統專門開闢的PCB區域內。

進程與線程

之前說過進程是操作系統進行資源分配和調度的基本單位，而線程是操作系統進行運行調度的最小單位，線程包含在進程之中，是進程中實際運行的工作單位，一個進程可以併發多個線程，每個線程執行不同任務。

	進程	線程
資源	資源分配的基本單位	不擁有資源
調度	獨立調度的基本單位	獨立調度最小單位
系統開銷	進程系統開銷大	線程系統開銷小
通信	進程IPC	讀寫同一進程數據通信

一個進程可以有多個線程，一個進程中的線程共享資源，計算機對進程的調度，實際上是對進程中的線程進行調度

五狀態模型

創建狀態：創建進程時擁有PCB但其它資源尚未就緒的狀態稱為創建狀態，操作系統提供fork函數接口創建進程。

就緒狀態：當進程被分配到除CPU以外的所有必要資源后，只要再獲得CPU的使用權，就可以立即運行。其他資源都轉準備好、只差CPU資源的成為就緒狀態。
- 在一個系統中處於就緒狀態的進程通常排成一個隊列，稱為就緒隊列。

執行狀態：進程獲得CPU，其程序正在執行稱為執行狀態，再單處理機中，在某個時刻只能有一個進程是處於執行狀態。

阻塞狀態：進程因某種原因如：其他設備未就緒而無法繼續執行，從而放棄CPU的狀態稱為阻塞狀態。

終止狀態：程序執行完成。

進程同步

為什麼需要進程間的同步呢？先讓我們來看一個經典的問題：生產者-消費者問題
生產者-消費者問題：有一群生產者進程在生產產品，並將這些產品提供給消費者進程進行消費，生產者進程和消費者進程可以併發執行，在兩者之間設置了一個具有n可緩衝區的緩衝池，生產者進程需要將所生產的產品放到一個緩衝區中，消費者進程可以從緩衝區取走產品消費

由上圖我們可以看出，單從生產者程序或消費者程序去看是沒問題的，但兩者併發執行時就可能會出現差錯。如下圖：

這裏的緩衝區就相當於臨界資源。
再來看一個哲學家進餐問題：
有五個哲學家，他們的生活方式時是交替的進行思考和進餐，哲學家們共同使用一張圓桌子，分別坐在周圍的五張椅子上，在圓桌上有五個碗和五支筷子。平時哲學家們只進行思考，飢餓時則試圖取靠近他們的左、右兩隻筷子，只有兩支筷子都被他拿到的時候才能進餐，進餐完畢后，放下左右筷子繼續思考。

出現上圖中的問題是什麼呢？其根源問題是：彼此之間沒有相互通信，如果"生產者通知消費者我已經完成了一件生產"，"哲學家向旁邊哲學家說我要進餐了"，就不會出現上圖中的問題了，也就是需要進程間的同步。

什麼是進程同步呢？當對競爭資源在多個進程間進行使用次序的協調，使得併發執行的多個進程之間可以有效使用資源和相互合作。這裏的競爭資源也就是上圖中的臨界資源，什麼是臨界資源？臨界資源指的是一些雖作為共享資源，卻又無法同時被多個線程共同訪問的共享資源。當有進程在使用臨界資源時，其他進程必須依據操作系統的同步機制，等待佔用進程釋放該共享資源，才可以重新競爭使用共享資源。
進程同步的原則：

空閑讓進：資源五佔用，允許使用

忙則等待：資源有佔用，請求進程等待

有限等待：保證有限等待時間能夠使用資源

讓權等待：等待時，進程需要讓出CPU

進程間同步的常用方法：如消息隊列，共享存儲，信號量。當多個線程併發使用進程資源時，進程內的多線程也需要，因為進程中的資源時進程中線程的共享資源。線程同步的方法有：互斥量、讀寫鎖、自旋鎖、條件變量等，這些方法是如何保證線程同步的呢？

互斥量：由於多個線程的指令交叉執行，而互斥量可以保證先後執行，即保證原子性。什麼是原子性呢？原子性是指一系列操作不可被中斷的特性，這一系列操作要麼全部執行完成，要麼全部沒有執行，不存在部分執行部分未執行的情況
- 互斥量是最簡單的線程同步方法
- 互斥量（互斥鎖），處於兩態之一的變量：解鎖和加鎖
- 兩個狀態可以保證資源的串行

自旋鎖：自旋鎖也是一種多線程同步的變量，使用自旋鎖的線程會反覆檢查鎖變量是否可用，自旋鎖不會讓出CPU，是一種忙等待狀態，即死循環等待鎖被釋放。
- 自旋鎖避免了進程或線程上下文切換的開銷
- 操作系統內部很多地方都是使用的自旋鎖
- 自旋鎖不適合在單核CPU中使用

讀寫鎖：這種鎖適用於臨界資源多讀少寫，讀取的時候並不會改變臨界資源的值。
- 讀寫鎖是一種特殊的自旋鎖
- 允許多個讀者同時訪問資源以提高讀的性能
- 對寫的操作則是互斥的

條件變量
- 條件變量是一種相對複雜的同步方法
- 條件變量允許線程睡眠，直到滿足某種條件
- 當滿足條件時，可以向該線程發送信號，通知喚醒

同步方法	描述
互斥鎖	最簡單的一種線程同步方法，會阻塞線程
自旋鎖	避免切換的一種線程同步方法，屬於"忙等待"
讀寫鎖	為"讀多寫少"的資源設計的線程同步方法，可以顯著提高性能
條件變量	相對複雜的一種線程同步方法，有更靈活的使用場景

進程同步之共享內存
在某種程度上，多進程是是共同使用物理內存的，由於操作系統的進程管理，進程間的內存空間是獨立的，進程默認是不能訪問進程空間之外的內存空間的

共享內存就可以打破這個限制，因為有這個共享內存，不同進程就可以通過頁表映射到同一個共享內存去，這個共享內存既可以被進程1使用，也可以被進程2使用。

共享存儲允許不相關的進程訪問同一片物理內存，共享內存是兩個進程之間共享和傳遞數據的最快方式，共享內存未提供同步機制，需要藉助其他機制訪問。通過共享內存同步的過程就是：申請共享內存->連接到進程空間->使用共享內存->脫離進程空間並且刪除。共享內存是高性能後台開發中最常用的同步方式。
進程同步之Unix域套接字
域套接字是一種高級的進程間通信的方法，Unix域套接字可以用於同一台機器進程間通信。其運行過程是創建套接字->綁定（bind）套接字->監聽（listen）套接字->接收&處理信息。域套接字提供了簡單可靠的進程通信同步服務，只能在單機使用，不能跨機器使用。

Linux的進程管理

Linux進程的相關概念：

進程類型：

前台進程：前台進程就是具有終端，可以和用戶交互的進程

後台進程：
- 與前台進程相對，沒有佔用終端的就是後台進程
- 後台進程基本上b不和用戶交互，優先級比前台進程低
- 將需要執行的命令以"&"符號結束

守護進程(daemon)：特殊的後台進程
- 很多守護進程在系統引導的時候啟動，一直運行到系統關閉
- Linux系統有很多典型的守護進程。例如：crond,sshd,httpd,mysqld等，進程名字以"d"結尾的一般都是守護進程。
  進程標記：

進程ID
- 進程ID是進程的唯一標記，每個進程擁有不同的ID
- 進程ID表現為一個非負整數，最大值由操作系統限定
- 操作系統提供fork()函數接口創建進程。例如進程A調用fork接口創建了進程B，進程B調用fork接口創建了進程C，那此時進程A和進程B就存在父子進程關係，進程A是父進程，進程B是子進程。進程的父子關係可以通過pstree命令查看。

ID為0的進程是idle進程，是系統創建的第一個進程，ID為1的進程init進程，是0號進程的子進程，完成系統初始化，Init進程是所有用戶進程的祖先進程。

進程的狀態標記

Linux中進程的狀態如下：

狀態符號	狀態說明
R	(TASK_RUNNING)，進程正處於運行狀態
S	(TASK_INTERRUPTIBLE)，進程正處於睡眠狀態
D	(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，進程正處於IO等待的睡眠狀態
T	(TASK_STOPPED)，進程正處於暫停狀態
Z	(TASK_DEAD or EXIT_ZOMBIE)，進程正處於退出狀態，或殭屍進程

操作Linux進程的相關命令

ps命令：ps命令常用於显示當前進程的狀態，ps命令常配合aux參數或ef參數和grep命令檢索特定進程

top命令

kill命令：kill命令發送指定信號給進程，kill-l可以查看操作系統所支持的系統

作業管理

作業管理之進程調度

進程調度是指計算機通過決策，決定哪個就緒進程可以獲得CPU使用權。通俗來說就是保留舊進程的運行信息，請出舊進程（收拾包袱），選擇新進程，準備運行環境並分配CPU（新駐進）。那麼是如何進行進程的調度的呢？

就緒隊列的排隊機制：將就緒進程按照一定的方式排成隊列，以便調度程序可以最快找到就緒進程。

選擇運行進程的委派機制：調度程序以一定的策略選擇就緒進程，將CPU資源分配給它

新老進程的上下文切換機制：保存當前進程的上下文信息，裝入被委派執行進程的運行上下文

進程的調度方式分為搶佔式調度和非搶佔式調度。非搶佔式調度是指處理器一旦分配給某個進程，就讓該進程一直使用下去，調度程序不以任何原因搶佔正在被使用的處理器，直到進程完成工作，或因為IO阻塞才會讓出處理器；搶佔式調度是指允許調度程序以一定的策略，暫停當前運行的進程，保存好進程的上下文信息，分配處理器給新進程。

	搶佔式調度	非搶佔式調度
系統開銷	頻繁切換，開銷大	切換次數少，開銷小
公平性	相對公平	不公平
應用	通用系統	專用系統

進程調度算法

先來先服務調度算法

短進程優先調度算法：調度程序優先選擇就緒隊列中估計運行時間最短的進程；短進程優先調度算法不利於長作業進程的運行

高優先權優先調度算法：進程附帶優先權，調度程序優先選擇權最高的進程，高優先權優先調度算法使得緊迫的任務可以處理

時間片輪轉調度算法：按先來先服務的原則排列就緒進程，每次從隊列頭部取出待執行進程，分配一個時間片執行；是相對公平的調度算法，但不能保證及時響應用戶

作業管理之死鎖

死鎖是指兩個或兩個以上的進程在執行過程中，由於競爭資源或者由於彼此通信而造成的一種阻塞現象，若無外力作用，他們都將無法推進下去。此時稱系統處於死鎖狀態或系統產生了死鎖，這些永遠在互相等待的進程稱為死鎖進程。
死鎖的產生

競爭資源：共享資源數量不滿足各個進程需求，各個進程之間發生資源競爭導致死鎖，

進程調度順序不當
死鎖的四個必要條件：

互斥條件：進程對資源的使用是排他性的使用，某資源只能由一個進程使用，其他進程需要使用只能等待

請求保持條件：進程至少保持一個資源，又提出新的資源請求，新資源被佔用，請求被阻塞，被阻塞的進程不釋放自己保持的資源

不可剝奪條件：進程獲得的資源在未完成使用前不能被剝奪，獲得的資源只能由進程自生釋放

環路等待條件：發生死鎖時，必然存在進程-資源環形鏈
死鎖的處理

預防死鎖的方法
- 摒棄請求保持條件：系統規定進程運行之前，一次性申請所有需要的資源，進程在運行期間不會提出資源的請求，從而摒棄請求保持條件
- 摒棄步課剝奪條件：當進程請求一個新的資源得不到滿足時，必須釋放佔有的資源，當進程運行時佔有的資源可以被釋放，意味着可以被剝奪
- 摒棄環路等待條件：可用資源線性排序，申請必須按照需要遞增申請，線性申請不在形成環路，從而摒棄了環路等待條件

銀行家算法：銀行家算法是一個可操作得著名得避免死鎖得方法，以銀行借貸系統分配策略為基礎的算法。
- 客戶申請的貸款是有限的，每次申請須聲明最大資金量
- 銀行家在能夠滿足貸款時，都應該給用戶貸款
- 客戶在使用貸款后，能夠及時歸還貸款。

根據還需要分配的資源表，對比可分配資源表，先給能夠滿足貸款的用戶，給用戶貸款，即圖中的P2，P2使用完資源后，需要及時歸還資源

存儲管理

早期計算機編程並不需要過多的存儲管理，隨着計算機和程序越來越複雜，存儲管理成為必要。

確保計算機有足夠的內存處理處理數據

確保程序可以從可用內存中，獲取一部分內存使用

確保程序可以歸還使用后的內存，已供其他程序使用

存儲管理之內存分配與回收

內存分配的過程

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單一連續分配：單一連續分配是最簡單的內存分配方式，只能在單一用戶、單進程的操作系統中使用

固定分區分配：固定分區分配是支持多道程序的最簡單的存儲分配方式，內存空間被劃分成若干個固定大小的區域，每個分區只提供給一個用戶使用，互不干擾

動態分區分配：根據進程實際需要，動態分配內存空間，相關數據結構、分配算法如下：
- 動態分區空閑表數據結構：對空閑區進行標記，0表示空閑區，1表示已被使用
- 動態分區空間鏈數據結構
- 首次適應算法（FF算法）：分配內存時從開始，順序查找適合內存區，若沒有合適的空閑區，則該次分配失敗；每次從頭部開始，使得頭部地址不斷被劃分
- 最佳適應算法（BF算法）：最佳適應算法要求空閑鏈表按照容量大小排序，遍歷空閑鏈表找到最佳合適的空閑區
- 快速適應算法（QF算法）：快速適應算法要求有多個空閑區鏈表，每個空閑區鏈表存儲一種容量的空閑區

內存回收的過程

情況一：不需要新建空閑鏈表節點，只需要把空閑區1的容量增大為空閑區即可；情況二：將回收區與空閑區合併，新的空閑區使用回收區的地址；情況三：將空閑區1、空閑區2和回收區合併，新的空閑區使用空閑區1的地址；情況四：為回收區創建新的空閑節點，插入到相應的空閑區鏈表中去。

存儲管理之段頁式存儲管理

由於每個進程都有自己獨立的進程空間，那操作系統是如何管理進程的空間呢？

頁式存儲管理：
- 將進程邏輯空間等分為若干大小的頁面
- 相應的把物理內存空間分成與頁面大小的物理塊
- 以頁面為單位把進程空間裝進物理內存中分散的物理塊
  
  頁表：頁表記錄了進程邏輯空間與物理空間的映射

現代計算機系統中，可以支持非常大的邏輯地址空間（\(2^{32}\)~\(2^{64}\)），這樣，頁表就變得非常大，要佔用非常大的內存空間，如具有32位邏輯地址空間的分頁系統，規定頁面大小為4KB，則在每個進程頁表中的頁表項可達1M（32位系統進程的尋址空間為4G，4G/4KB=1M）個，如果每個頁表項佔用1Byte，故每個進程僅僅頁表就要佔用1M的內存空間。

段式存儲管理
- 將進程邏輯空間劃分成若干段（非等分）
- 段的長度由連續邏輯的長度決定
- 主函數MAIN，子程序段X，系函數Y等

段式存儲和頁式存儲都離散地管理了進程的邏輯空間。頁是物理單位，段是邏輯單位，分頁是為了合理利用空間，分段是為了滿足客戶需求；頁大小由硬件空間，段長度可動態變化；頁表信息是一維的，段表信息是二維的。

段頁式存儲管理：由於分頁可以有效提高內存利用率（雖然說存在內存碎片），分段可以滿足用戶需求，我們可以將兩者結合，形成段頁式存儲管理。
- 先將邏輯空間按段式管理分成若干段
- 再把段內空間按頁式管理等分成若干頁

存儲管理之虛擬內存

思考：一個遊戲十幾個G，物理內存只有4G，那這個遊戲是如何運行起來的呢？

有些進程實際需要的內存很大，超過物理內存的容量，多道程序設計，使得每個進程可用物理內存更加稀缺，不可能無限增加物理內存，物理內存總有不夠的時候，這個時候就需要虛擬內存了。虛擬內存是操作系統內存管理的關鍵技術，使得多道程序運行和大程序運行成為現實，把程序使用內存劃分，將部分暫時不使用的內存放置在輔存。

程序的局部性原理：局部原理是指CPU訪問存儲器時，無論是存取指令還是存取數據，所訪問的存儲單元都趨於集中在一個較小的連續區域中。

程序運行時，無需全部裝入內存，裝載部分即可

如果訪問頁不在內存，則發出缺頁中斷，發起頁面置換

從用戶層面看，程序擁有很大的空間，即是虛擬內存

虛擬內存實際是對物理內存的補充，速度接近於內存，成本接近於輔存

虛擬內存的置換算法：和我在《計算機組成原理》這篇博客中的高速緩存的置換策略差不多，這裏就不詳細介紹了。

先進先出算法（FIFO）

最不經常使用算法(LFU)

最近最少使用算法(LRU)

高速緩存的替換策略發生在Cache-主存層次，只要是為了解決速度問題；虛擬內存的替換策略發生在主存-輔存層次，主要是為了解決容量問題。

Linux的存儲管理

Buddy內存管理算法

Buddy算法是經典的內存管理算法

算法基於計算機處理二進制的優勢具有極高的效率

算法主要是為了解決內存外碎片的問題

頁內碎片：內部碎片是已經被分配出去（能明確指出屬於哪個進程）的內存空間大於請求所需的內存空間，不能被利用的內存空間就是內部碎片。
頁外碎片：外部碎片是指還沒有被分配出去（不屬於任何進程），但是由於大小而無法被分配給申請內存空間的新進程的內存空閑塊。
Buddy是夥伴的意思，這裏的"夥伴"指的是內存的"夥伴"，一片連續內存的"夥伴"是相鄰的另一片大小一樣的連續內存
Buddy內存管理算法執行過程：創建一系列空閑塊鏈表，每一種都是2的冪 --> 現在需要分配100kb內存 --> 回收剛才分配的內存

Linux的交換空間

交換空間（Swap）是磁盤的一個分區，Linux物理內存滿時，會把一些內存交換至Swap空間，Swap空間是初始化系統時配置的。

冷啟動內存依賴：對於一些大型的應用程序，在啟動的過程中需要使用大量的內存，但是這些內存很大一部分只是在啟動的時候使用一下，在運行的時候很少使用到這部分內存，因此有了這個交換空間，系統就可以將這個部分不怎麼使用的內存數據保存在SWAP空間中，從而釋放跟多的物理內存，提供給這個系統使用。

系統睡眠依賴：當Linux系統需要睡眠的時候，它就會把系統中的所有數據都保存在swap空間內，等下次這個系統需要啟動的時候，才把這些數據重新加載到內存中裏面，這樣就可以加快系統的啟動速度。

大進程空間依賴：有些進程確實需要使用大量的內存空間，但是物理內存不夠使用，因此需要把這些進程需要使用的內存暫時保存到交換空間中，使得這個大的進程也可以運行起來

Swap空間和虛擬內存的對比：

--	Swap空間	虛擬內存
存儲位置	Swap空間存在於磁盤	虛擬內存存在於磁盤
置換層次	Swap空間與主存發生置換	虛擬內存與主存發生置換
所屬概念	Swap空間是操作系統概念	虛擬內存是進程概念
解決的問題	Swap空間解決系統物理內存不足問題	虛擬內存解決進程物理內存不足的問題

操作系統的文件管理

文件的邏輯結構

邏輯結構的文件類型
- 有結構文件：例如文本文件、文檔、媒體文件等
  - 文件內容由定長記錄和可變記錄組成
  - 定長記錄存儲文件格式、文件描述等結構化數據項
  - 可變長記錄存儲文件具體內容等
- 無結構文件：例如二進制文件、鏈接庫等
  - 也稱為流式文件，如exe文件、dll文件、so文件等
  - 文件內容長度以字節為單位

順序文件
- 順序文件是指按順序存放在存儲介質中的文件
- 磁帶的存儲特性使得磁帶文件只能存儲順序文件
- 順序文件是所有邏輯文件當中存儲效率最高的

索引文件
- 可變長文件不適合使用順序文件格式存儲
- 索引文件是為解決可變長文件存儲而發明的一種文件格式
- 索引文件需要配合索引表完成存儲的操作

輔存的存儲空間分配

輔存的分配方式
- 連續分配：順序讀取文件內容非常容易，速度很快，對存儲要求高，要求滿足容量的連續存儲空間
- 鏈接分配：鏈接分配可以將文件存儲在離散的盤塊中，需要額外的存儲空間存儲文件的盤塊鏈接順序
  - 隱式鏈接：隱式分配的下一個鏈接指向存儲在當前盤塊內，隱式分配適合順序訪問，隨機訪問效率低，可靠性差，任何一個鏈接出問題都會影響整個文件
  - 显示鏈接：不支持高效的直接存儲（FAT記錄項多），檢索時FAT表佔用較大的存儲空間（需要將整個FAT表加載到內存）
- 索引分配：把文件的所有盤塊集中存儲（索引），讀取某個文件時，將文件索引讀取進內存即可
  
  每個文件擁有一個索引塊，記錄所有盤塊信息，索引分配方式支持直接訪問盤塊，文件較大時，索引分配方式具有明顯優勢

存儲空間管理
- 空閑表：空閑盤區的分配與內存的分配相似，首次適應算法、循環適應算法等，回收過程也與內存回收類似
- 空閑鏈表：空閑鏈表法把所有空閑盤區組成一個空閑鏈表，每個鏈表節點存儲空閑盤塊和空閑的數目
- 位示圖：位示圖維護成本很低，可以非常容易找到空閑盤塊，位示圖使用0/1比特位，佔用空間小

目錄管理

任何文件或目錄都只有唯一路徑。文件常見的描述信息有：文件標識符、文件類型、文件權限、文件物理地址、文件長度、文件連接計數、文件存取時間、索引節點編號、文件狀態、訪問計數、鏈接指針等。

Linux文件基本操作

Linux目錄

目錄	描述
/bin	存放二進制可執行文件(ls,cat,mkdir)，常用的命令都在該目錄下
/etc	存放系統管理和配置文件
/home	存放所有用戶文件的根目錄，使用戶目錄的基點，比如用戶user的主目錄就是/home/user
/usr	用戶存放系統應用程序，比較重要的目錄/usr/local本地系統管理員軟件安裝目錄
/opt	額外安裝的可選應用程序包所放置的位置
/proc	虛擬文件系統目錄，是系統內存的映射，可直接訪問這個目錄來獲取系統信息
/root	系統管理員的主目錄
/sbin	存放二進制可執行文件，只有root才能當問
/dev	用於存放設備文件
/mnt	系統管理員安裝臨時文件系統的安裝點，系統提供這個目錄是讓用戶臨時掛載其他的文件系統
/boot	存放用於系統引導時使用的各種文件
/lib	存放跟文件系統種的程序運行所需要的共享庫及內核模塊
/var	用於存放運行時需要改變數據得文件

Linux文件常用操作

創建文件：touch file 修改文件：vim file 查看文件：cat file 刪除文件：rm file 創建文件夾：mkdir dir 刪除文件夾：rm dir/ 該方式會提示，不能刪除文件夾遞歸刪除文件夾：rm -r dir/ 進入文件后，通過ls -al 命令可以查看該文件的文件類型，即第一個字符

Linux文件類型

Linux的文件類型有：套接字(s)、普通文件(-)、目錄文件(d)、符號鏈接(b、c)、設備文件、FIFO(p)

Linux文件系統

文件系統概覽

FAT(File Allocation Table)：例如FAT16、FAT32等，微軟Dos/Windows使用的文件系統，使用一張表保存盤塊的消息

NTFS(New Technology File System)：WindowsNT環境文件系統，NTFS對FAT進行了改進，取代了舊的文件系統

EXT(Extended file System)：擴展文件系統，這個是Linux的文件系統，EXT2/3/4數字錶示第幾代。
- Boot Selector：啟動扇區，安裝開機管理程序
- Block Group：塊組，存儲數據的實際位置

EXT文件系統

Inode Table是存放文件Inode的地方，每一個文件（目錄）都有一個Inode，是每一個文件（目錄）的索引節點。文件名不是存放在Inode節點上的，而是存放在目錄的Inode節點上，列出目錄文件的時候無需加載文件的Inode。Inode bitmap即Inode的位示圖，記錄已分配的Inode和未分配的Inode。Data block是存放文件內容的地方，每個block都有唯一的編號，文件的block記錄在文件的Inode上。Block bitmap功能與Inode bitmap類似，記錄Data block的使用情況。superblock是記錄整個文件系統相關信息的地方，包括block和Inode的使用情況，以及時間、控制信息等。

命令 df -T：查看該系統所掛載的磁盤信息，查看文件系統的Inode信息：dumpe2fs 指定某個一設備，如 dumpe2fs /dev/sda2，使用超級管理員權限查看：sudo dumpe2fs /dev/sda2，查看文件的具體信息：stat dumpe2fs.log，文件重命名： mv dumpe2fs.log dumpe2fs.bak.log。Inode編號才是文件的唯一標記，文件名不是文件的唯一標記。

操作系統的設備管理

廣義的IO設備

對CPU而言，凡是對CPU進行數據輸入的都是輸入設備；對CPU而言，凡是CPU進行數據輸出的都是輸出設備

按使用特性分類
- 存儲設備：U盤、內存、磁盤等
- 交互IO設備：鍵盤、显示器、鼠標等

按信息交換的單位分類
- 塊設備：磁盤、SD卡
- 字符設備：打印機、Shell終端

按設備的共享屬性分類：獨佔設備、共享設備、虛擬設備

按傳輸速率分類：底速設備、中速設備、高速設備

IO設備的緩衝區

由於CPU與IO設備的速率不匹配，所以需要IO設備緩衝區，這樣可以減少CPU處理IO請求的頻率，提高CPU與IO設備之間的并行性。專用緩衝區只適用於特定的IO進程，當這樣的IO進程比較多時，對內存的消耗也很大，操作系統劃出可供多個進程使用的公共緩衝區，稱之為緩衝池。

SPOOLing技術

SPOOLing技術是關於慢速字符設備如何與計算機主機交換信息的一種技術，利用高速共享設備將低速的獨享設備模擬為高速的共享設備。邏輯上，系統為每一個用戶都分配了一台獨立的高速共享設備。SPOOling技術把同步調用低速設備改為異步調用。SPOOLing技術在輸入、輸出之間增加了排隊轉儲環節（輸入井、輸出井），SPOOLing技術負責輸入（出）井與低速設備之間的調度，邏輯上，進程直接與高速設備交互，減少了進程的等待時間。

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