第三章 内存管理
3.1，多层次的存储系统：缓和存储器的访问速度与处理机运行速度差异大的问题。
- CPU寄存器 速度与处理机相当，很贵
- 主存（内存）
高速缓存 缓和处理机与内存访问速度不匹配。
主存储器
磁盘缓存 缓和内存与外存（磁盘IO）速度不匹配。
- 辅存
3.2，程序的装入与连接：
3.2.1，程序在系统上运行的步骤：
①编译：将源程序编译成若干目标模块
②连接：将一组模块与所需库函数连接形成装入模块
③装入：将装入模块装入内存--将逻辑地址转化为逻辑地址
- 绝对装入
- 可重定位装入：早期批处理系统
- 动态运行时装入：【重定位寄存器】，现代操作系统，
3.3，内存管理的功能：
①内存空间的分配与回收
②内存空间的扩充（虚拟内存）
③地址转换：逻辑地址->物理地址
- 绝对装入
- 可重定位装入
- 动态运行时装入
④存储保护：
- 保证各进程在自己内存空间运行，不会越界。
- 方式：<1>上下限寄存器<2>利用重定位寄存器，界地址寄存器。
3.4，物理内存分配：
3.4.1，连续地址分配与管理：
①单一连续分配：单道程序，单任务操作系统。
②固定分区算法：（多道程序系统）
将整个用户空间划分若干固定大小区域，每个区域只装入一道作业。【不产生外部碎片，产生内部碎片】
③动态内存分配：--可变分区分配。
<1>数据结构：空闲分区表，空闲分区链。
<2>内存的分配与回收：
- 分配：若一个分区大小>=需要大小，则此空闲分区可分配给调用者，剩余空间如果小于事先规定的最小切割单位，
则不切割。剩余空间放回空闲链。
- 回收：因为分配时存在分割，避免内存碎片化，回收时要合并
- 若回收分区与前一个空闲分区相邻，合并。
- 若回收分区与后一个空闲分区相邻，合并。
- 若与前后空闲分区都相邻，合并。
④动态分区算法：
- 顺序搜索：
<1>首次适应算法：
- 空闲分区按地址递增排列
- 按空闲链首地址遍历，遇到第一个能容纳的分区就分配
- 倾向于用内存地址部分
<2>循环首次适算法：
- 每次不从空闲链首开始遍历，从上一次分配分区的以一个分区开始遍历。
- 缺乏大分区
<3>最佳适应算法：
- 将链或表按从小到大递减方式排序
- “最佳”指所有满足分配分区（空间>=所需空间）中空间最小的。
- 留下很多难以利用的碎片
<4>最坏适应算法：
- 将链或表按从大到小排序
- 从满足分配的分区中挑一个最大的。
- 大进程（需要内存多的）不友好。
- 索引分配：
<1>快速适应算法：
- 又称为分类搜索法，根据分区大小划分不同的空闲列表，分配时先找到能容纳的最小空闲列表，再区列表中
找分区。
- 空间换时间
3.4.2，非连续物理内存分配：
①分页式储存管理：
<1>结构
- 页可以装入不连续的物理块中
- 页面大小要适中，太小--页表过长，换页频繁。太大--页内碎片。（2的幂次方，1K-8K）
- 地址结构： 【页号|偏移量】
- 页表：记录页号和内存中的物理块号。【页表是顺序结构的（数组），页号即下标表示了，逻辑地址/页面大小】
<2>地址变换：
将逻辑地址转换为逻辑地址，通过逻辑地址计算出页号，从页表中找到快号，物理地址：块号+偏移量。
<3>TLB:快表，具有块表（高速缓存，）的地址转换结构。
<4>多级页表：所管理的内存大，页表过长，无够大连续空间存放页表，对页表进行分页。
②分段式储存管理：
<1>结构:
- 段:连续空间，不同段分散在不连续的地址块。根据模块将程序分为若干段，每段段内地址从0-段长-1。
- 地址结构：【段号|段内地址-偏移量】
- 段表：记录段长和和段起始地址。
- 寻址方式：根据段号在段表中找到起始地址，判断有无越界，加上偏移量，得到物理地址。
<2>与分页式存储的区别：
- 页是信息的物理单位，实现内存的离散分配，减少碎片，完全是系统行为。
段是信息的逻辑单位，更好的满足用户需求。
- 页的大小是固定的，由系统决定，段长是不固定的，决定于程序。
- 分页的用户程序地址空间是一维的，分页是系统行为。分段的用户程序地址空间是二维的，需给出段号和偏移量。
- 分段的用户程序容易实现信息的共享和保护。
③段页式存储管理：
<1>先对程序分若干个段，再对每个段分页，逻辑地址【段号|页号|页内地址】
<2>段表：【段号|页表大小|页表始址】
3.4，虚拟存储器：
- 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，其逻辑容量由内存容量和外出容量之和所决定
其运行速度接近于内存速度，而每位成本却又接近于外存。
- 传统存储管理方式的特征：
①一次性：作业必须一次性全部装入内存后才开始运行。
②驻留性：一旦作业装入内存，会一直驻留在内存，直至作业运行结束。
- 局部性原理：
①时间局部性：如果执行了程序中某条指令，不久之后这条指令很可能再次执行。
某个数据访问，不久后很可能再次被访问。（因为程序中有大量循环）
②空间局部性：一旦程序访问了某个存储单元，不久之后其附近的存储单元很可能被访问。（因为很大数据是连续存放的）
③局部性原理的应用：
<1>高速缓存技术思想，将近期会频繁访问的到的数据放到更高速的存储器中，暂时用不到的数据放在更低的存储器中。
<2>TLB快表，
- 特性：
①多次性：一个作业的数据和程序允许分成多次调入内存。
②对换性：一个作业中的程序的数据，无需在作业运行时一直常驻内存，可换进换出
③虚拟性：从逻辑上扩充内存容量
- 请求分页式存储管理方式：
①请求页表机制：【页号|物理块号|状态|访问字段|修改为位|外存地址】
状态标识该页是否在内存，访问字段记录一段时间内被访问次数，修改位，若被修改换出内存时需要写回外存。
②缺页中断机制：
- 当访问某页时，若该页不在内存中，产生缺页中断。
- 中断处理：将目标页调入内存或换出页面。
- 缺页中断为内中断
- 一条指令可能产生多次缺页中断
③地址转换机构
- 访问块表，命中则分获取物理地址
- 未命中，查页表，在页表，则计算物理地址
- 未查到，缺页中断，进行相应置换。
- 页面置换算法：
①最佳置换算法：理论上的，无法实现，所选取的淘汰页面将是以后永远不使用的。
②先进先出置换算法FSFO:最直观，性能最差，应用极少
③LRU,(最近最久未使用)算法：赋予每个页面对应页表项中，用访问字段记录该页面自上次被访问以来经历的时间t,当需要淘汰时，
选一个最大的t淘汰。
④Clock置换算法，将所有页面，当页面被分为后，访问位设1，置换算法选择淘汰页时，遍历队列检测访问位，若是0，则换成。
若是1，将其置0，循环遍历直到找到0；
最多经历两轮即可找到淘汰页。
⑤改进Clock置换算法：增加一个因素：置换代价。将一个页面换出时，若页面数据已修改，需要重新写回外存。
访问位A,修改位：M
<1>A=0,M=0,最近未被访问，也没被修改，最佳淘汰页。
<2>A=0,M=1,表示最近未被访问，被修改，并不是很好的淘汰页
<3>A=1,M=0,最近已被访问，未被修改，该页可能再被访问。
<4>A=1,M=1,最近已被访问，已被修改，该页可能再被访问。
【1】遍历队列，寻找第一类页面，找到则换出。
【2】1未找到，则进行第二轮，寻找第二类，并将扫描过的页面的访问A该为0，找到则换出
【3】2未找到，重复第一步，若失败，重复第二步，这一步一定能找到A=0,M=1的页面。
最多经过4轮能找到。
第四章 外存管理（磁盘管理+文件管理）
4.1，相关名词:
- 磁盘：外存的主要构成，存放大量文件，磁盘IO速度高低，直接影响系统性能。
- 盘面：磁盘设备（硬盘）中包括多个物理盘片，每个盘片有一个或两个盘面。
- 磁道：每个盘面有若干磁道，磁道间有“间隙”Gap。
- 柱面：所有盘面的相同位置磁道构成的一个住面。
- 扇区：每条磁道又被从逻辑上划分成若干扇区，一个扇区称为一个盘块或数据块。
4.2，磁盘访问时间：
①寻道时间：将磁头移到指定磁道所花费的时间。
②旋转延迟时间：将指定扇区移动到磁头下面的时间，不同磁盘旋转速度不一样。
③传输时间：指把数据从磁盘读出或向磁盘写入所经历的时间，--和磁盘旋转速度有关。
- 其中①和②占了绝大多时间。
4.3，磁盘调度算法：
- 为了减少对文件的访问时间，由于磁盘访问时间主要花在寻道上，即调度算法目的是使磁盘平均寻道时间最短。
①先来先服务FCFS：
②最短寻道时间优先SSTF：保证每次寻道时间是当前队列中最短的，但无法保证平均寻道时间最短。
- 贪心，只选择眼前最优的，可能导致饥饿。
③扫描算法SCAN：最短寻道时间优先实际上是一种优先级算法，优先级低的进程易饥饿。
- 扫描算法不仅考虑下一个访问磁道与当前磁道的距离，还考虑磁头当前的移动方向。如：当前磁头正由里向外移动
应当是再本磁道外，且距离最近的优先。扫描到最外再向里扫描。
- 电梯调度算法。
-:对各个部分磁道响应频率不同，边缘部分，折返时又会遍历一遍，而中部的遍历时间相对较久。
④Lock算法：扫描算法中，磁头每次要遍历所有磁道，当像一个方向遍历时，队列中已经没有该方向上磁道的访问了，这时磁头就可以转向另一个方向遍历了。
Lock算法（观望）就是解决这个问题的。
⑤循环扫描算法C-SCAN：解决SCAN算法中对各个磁道响应频率不同。规定磁道只沿一个方向移动，到达最端后直接返回起点遍历。
⑥ C-Look算法：只有磁头移动的方向上没有请求了，直接返回起点。
4.4，磁盘存储器（外存）管理：
4.4.1，外存分配方式（外存的组织/管理方式）：
①连续分配方式：将每一个文件分配一组相邻的盘块，通常是同一个磁道上。读写时不必移动磁头。
- 顺序文件结构--顺序文件
+：易访问，顺序访问速度快
-：<1>内存碎片化,<2>需要预知文件大小， <3>删除文件不灵活 <4>不能动态增长文件。
②连接分配：将文件装入多个离散的盘块，再通过连接指针连接成链表。
- 隐式连接：文件控制块 FCB中包含指向第一个和最后一个盘块的指针。每个盘块有指向下一盘块的指针。
--只适合用于顺序访问，即链表的随机访问问题。
- 显示连接：建立一张连接表，将各物理块的指针都放入，整个磁盘只设置一张。每个文件的第一个
盘块地址作为文件地址放入FCB中。找第i块时，在FAT中遍历找到其物理块号，再去访问。
<1>FAT技术（文件分配表），引入卷（CDEF盘，每个）
<2>MFT
③索引分配：显示连接虽然解决了，离散分配随机访问的问题，但也带来了新问题：<1>不支持高效直接存取。<2>FAT占用较大空间
- 单级索引：为每个文件分配一个索引块，顺序存放该文件用到的的盘块号，FCB中存放文件索引块的地址，不用将FAT调入内存，文件较大时适合。
+：<1>支持直接访问，如某文件第i块，在索引块中找到盘块号得到物理地址即可。<2>无内存碎片。
-：小文件（只占10几个块以内）采用索引分配（一个块可以存放数百个块号）
- 多级索引：每一个索引盘块，容纳的盘块号数量有限，大文件可能需要很多盘块号。---多级索引。
+：大大加快文件查找速度。
-：<1>所需启动磁盘的次数随索引级数的增加而增多，<2>实际情况：小文件居多，大文件较少，采用多级索引分配效果不理想。
- 增量式索引分配：对小，中，大，特大文件，采用不同分配方式。若盘块大小为1~4KB。
- 对于小文件（少于10个盘块1~10K,4~40K）：将所有盘块地址都放入FCB--直接寻址。
- 中等文件（11~256K，5~4MB）:可采用单级索引分配--一次间址。
- 大型文件：采用多级索引，--二次/多次间址。
4.5，文件管理：
4.5.1，文件分类
①系统文件。用户文件。库文件。
②源文件（ASCII或汉字）。目标文件（由源文件编译生成）。可执行文件.exe
③只执行文件。只读文件。读文件。
④普通文件。目标文件。特殊文件（指系统中各类IO设备，为统一管理，系统将所有IO设备视为文件。
4.5.2，磁盘分区：文件区+目录区。
①文件目录：一种数据结构，
- 功能：<1>按名存取<2>提高检索速度<3>文件共享<4>允许文件重名（不同路径下）
- 为构建目录，需要对文件设置用于描述和控制的文件的数据结构。FCB
②FCB文件控制块：包含文件基本信息：<1>文件名<2>物理位置<3>类型，大小<4>文件结构
③索引节点：改进FCB，提高索引搜索效率。
- 存储除文件名外的所有的信息。
- 索引时用到的信息较少，不用将目录加载如内存
- 目录中只含有文件名和指向文件索引节点的指针。
4.5.3，文件的逻辑结构：
- 无结构文件：由一系列二进制流或者字符流组成的“流文件”。.txt
- 有结构文件：由记录组成。如excel，sql。记录又可分为定长记录，变长记录。
<1>顺序文件。<2>索引文件。<3>索引顺序文件。
①顺序文件：
- 链式存储：可变长/定长记录都不能实现随机存取。
- 顺序存储：
可变长记录：无法实现随机存取
定长记录：可实现随机存取
串结构：无法快速找到某关键字对应的记录。
顺序结构：可以快速找到某关键字对应的记录。
②索引文件：解决可变长记录文件查找慢的问题。
- 每个文件建立一张索引表，索引表表项为文件中的记录。
- 适用于对信息的及时处理要求比较高的场合。
- 可以对不同数据项建立不同索引表。
③索引顺序文件：
- 让每一个记录对应一个索引表表项太过浪费。
- 让一组记录对应一个索引表项。
- 多级索引。
4.5.4，文件的物理结构：外存中分配/组织方式
①连续分配：每个文件在磁盘上占用一组连续的块。
+：<1>读写速度快，磁头移动距离短。<2>可随机访问
-：<1>文件扩展不方便，（如文件后无足够大连续空间只能移动位置）<2>外存碎片。
②连接分配：
- 隐式连接：FCB中有记录起始块号和结束块号。
- 每个块有指向下一块的指针。（链表不支持随机访问问题）
+：方便拓展，不产生碎片
- 显式连接：维护文件分配表FAT,表项把块号和下一块块号记录下来。
- 一个磁盘维护一张FAT，开机后，FAT读入内存并常驻内存。
+：支持随机访问。不产生碎片
-：维护FAT需要空间。
③索引分配：允许文件离散的分配在磁盘中，为每个文件建立一张索引表，记录文件的各个逻辑块对应的物理块号。记录索引表的盘块叫索引块
- FCB中存放索引块的地址。
+：支持随机访问，拓展方便，
-：索引需要一定空间
- 若文件太大一个所有块存不下：
<1>连接方案：每个索引块有指向下一个索引块的地址
<2>多级索引
<3>混合索引：避免小文件情况下浪费空间。
4.6，文件存储空间管理：磁盘空闲区管理：
4.6.1：存储空间的划分：
①文件卷：（逻辑卷概念）CDEF盘，
- 一个文件卷可以由多个物理磁盘组成。
- 一个物理磁盘可以划分为多个卷。
②每个卷可分为
目录区：存放：FCB,索引节点，空闲表，超级块等
文件区:存放文件。
4.6.2，空闲分区管理方法：
①空闲表法：记录每一个连续空闲分区的起始块号和块数，
- 适用于文件文件物理结构为连续分配方式
- 分配与回收时要合并分区，与内存分配类似。
②空闲链表法：
- 空闲盘块链：以盘块为单位链起来。一个链表。
+：分配回收简单
-：链很长
- 空闲盘区链：将空闲区链成一个链，盘区是相邻的空闲盘块链（标明盘区大小）
- 分配与回收时要合并分区，与内存分配类似
③位示图法：用一位二进制，表示一个盘块的使用情况0-空闲，1-已分配
- 用一个二位数组表示磁盘区的盘块分配情况。
④成组连接法：linux系统采用。
- 文件卷的目录区中设置一个超级块（链表头，类似索引块），系统启动会将超级块读入内存。
- 超级块中记录了下一组空闲盘块的个数和盘块号。
- 类似空闲盘区链，只是规定每个链的长度，如100 个，每个链中的盘块是离散的
- 盘块的分配与回收采用头插法。
第五章 IO管理
5.1，IO系统功能：
①方便用户使用IO设备
②提高CPU和IO设备的利用率
③用户在共享设备时提高方便
5.2，IO设备分类
①按使用特性：
- 存储设备：也称外存/辅存
- IO设备，键盘，鼠标，扫描仪，视频摄像，打印机，绘图仪
- 网络通信设备
②按传输速率：
- 低速：键盘
- 中速：打印机
- 高速：磁带机，光盘机
5.3，IO控制器
- 接收识别CPU发出的命令
- 向CPU报告识别状态
- 数据交换
- 地址识别
5.4，IO控制方式：控制IO设备的读和写
①程序直接控制方式：
- CPU向控制器发出指令，启动设备，状态：未就绪
- （启动完成之前）轮询其他控制器状态，就绪了就可以传送数据，将数据读入CPU寄存器
- 启动完成，报告自己状态。（已就绪）
- 发现设备已就绪，将数据读入CPU寄存器
+：实现简单
-：CPU干预频繁，CPU与IO设备串行工作，利用率低
②中断驱动方式
- 由于IO设备速度慢，CPU发出读写命令后，将等待IO进程阻塞，先切换其他进程执行。当IO完成后，控制器发出一个中断信号，CPU检测中断信号
进行进程调度，处理等待IO进程。
- CPU执行完每个指令都会检查中断
- 中断处理耗时，太频繁降低利用率。
+：CPU可以与IO并行，降低CPU干预
-：频繁中断会消耗CPU时间
③DMA方式：直接存储器方式
- 数据传送以块为单位
- 数据的流向从设备直接放入内存，或内存到设备
- CPU干预少，只在开始和结束时干预
+：以块为单位传输数据，CPU干预进一步降低
-：CPU每发出一条指令，只能读/写一个或多个连续的块。离散的数据块要多条指令
④通道方式：--一种硬件，“低配CPU”专门处理IO的处理器，能识别通道指令
- CPU干预低，一次给通道一组读写任务，完成后才中断，请求CPU干预
- 数据传输单位：一组数据块
+：CPU通道，IO设备可并行工作，资源利用率高。
-：实现复杂，需要专门的硬件支撑
5.5，IO系统的层次结构：
①用户层IO软件 实现与用户交互的接口，用户可直接调用该层提供与IO相关的库函数，对设备进行操作
②设备独立性软件 用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口
③设备驱动程序 与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令
④中断处理程序 用于保存被中断进程的CPU环境
⑤硬件
5.6，IO核心子系统功能：
①假脱机技术：SPOOling
- 脱机技术：用外围控制机和磁带缓解纸带与CPU之间的速度差
- 假脱机：用软件的方式模拟外围控制机模拟假脱机技术
- 实现共享独占设备
②设备分配与回收
<1>设备：
- 独占设备：打印机
- 共享设备：磁盘
- 虚拟设备：SPOOLing技术的共享打印机
<2>分配方式：
- 安全分配方式：一个进程一次只能使用一个设备，破坏“请求保持条件”，不死锁。
分配IO的进程将阻塞，CPU与IO设备只能串行工作
- 不安全分配方式：一个进程可以使用多个设备
效率高，但可能会引发死锁
- 静态分配：进程运行前为其分配所需的全部资源，不满足则阻塞，满足则运行结束释放所有资源
不发生死锁
- 动态分配：动态申请设备资源。
③通道技术
- 一个通道可以控制多个控制器
- 一个控制器可控制多个设备
5.7，缓冲区管理：
- 缓冲区：一个内存区域，可有专门的硬件组成，也可利用内存作为缓冲区。
- 缓冲区作用：
<1>缓和CPU与IO设备之间速度不匹配的矛盾
<2>减少CPU的中断频率，放宽CPU中断响应时间限制
<3>解决数据粒度不匹配问题
<4>提高CPU与IO设备之间的并行性
- 单缓冲：在内存中分配一个缓冲区
- 双缓冲：交替使用，（防止出现内存或CPU等待缓冲区写满）
- 循环缓冲区：将多个大小相等的缓冲区连接起来
- 缓冲池：由系统中的公用缓冲区组成