第三章 內存管理
3.1，多層次的存儲系統：緩和存儲器的訪問速度與處理機運行速度差異大的問題。
- CPU寄存器 速度與處理機相當，很貴
- 主存（內存）
高速緩存 緩和處理機與內存訪問速度不匹配。
主存儲器
磁盤緩存 緩和內存與外存（磁盤IO）速度不匹配。
- 輔存
3.2，程序的裝入與連接：
3.2.1，程序在系統上運行的步驟：
①編譯：將源程序編譯成若干目標模塊
②連接：將一組模塊與所需庫函數連接形成裝入模塊
③裝入：將裝入模塊裝入內存--將邏輯地址轉化為邏輯地址
- 絕對裝入
- 可重定位裝入：早期批處理系統
- 動態運行時裝入：【重定位寄存器】，現代操作系統，
3.3，內存管理的功能：
①內存空間的分配與回收
②內存空間的擴充（虛擬內存）
③地址轉換：邏輯地址->物理地址
- 絕對裝入
- 可重定位裝入
- 動態運行時裝入
④存儲保護：
- 保證各進程在自己內存空間運行，不會越界。
- 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，物理內存分配：
3.4.1，連續地址分配與管理：
①單一連續分配：單道程序，單任務操作系統。
②固定分區算法：（多道程序系統）
將整個用戶空間划分若干固定大小區域，每個區域只裝入一道作業。【不產生外部碎片，產生內部碎片】
③動態內存分配：--可變分區分配。
<1>數據結構：空閑分區表，空閑分區鏈。
<2>內存的分配與回收：
- 分配：若一個分區大小>=需要大小，則此空閑分區可分配給調用者，剩余空間如果小於事先規定的最小切割單位，
則不切割。剩余空間放回空閑鏈。
- 回收：因為分配時存在分割，避免內存碎片化，回收時要合並
- 若回收分區與前一個空閑分區相鄰，合並。
- 若回收分區與后一個空閑分區相鄰，合並。
- 若與前后空閑分區都相鄰，合並。
④動態分區算法：
- 順序搜索：
<1>首次適應算法：
- 空閑分區按地址遞增排列
- 按空閑鏈首地址遍歷，遇到第一個能容納的分區就分配
- 傾向於用內存地址部分
<2>循環首次適算法：
- 每次不從空閑鏈首開始遍歷，從上一次分配分區的以一個分區開始遍歷。
- 缺乏大分區
<3>最佳適應算法：
- 將鏈或表按從小到大遞減方式排序
- “最佳”指所有滿足分配分區（空間>=所需空間）中空間最小的。
- 留下很多難以利用的碎片
<4>最壞適應算法：
- 將鏈或表按從大到小排序
- 從滿足分配的分區中挑一個最大的。
- 大進程（需要內存多的）不友好。
- 索引分配：
<1>快速適應算法：
- 又稱為分類搜索法，根據分區大小划分不同的空閑列表，分配時先找到能容納的最小空閑列表，再區列表中
找分區。
- 空間換時間
3.4.2，非連續物理內存分配：
①分頁式儲存管理：
<1>結構
- 頁可以裝入不連續的物理塊中
- 頁面大小要適中，太小--頁表過長，換頁頻繁。太大--頁內碎片。（2的冪次方，1K-8K）
- 地址結構： 【頁號|偏移量】
- 頁表：記錄頁號和內存中的物理塊號。【頁表是順序結構的（數組），頁號即下標表示了，邏輯地址/頁面大小】
<2>地址變換：
將邏輯地址轉換為邏輯地址，通過邏輯地址計算出頁號，從頁表中找到快號，物理地址：塊號+偏移量。
<3>TLB:快表，具有塊表（高速緩存，）的地址轉換結構。
<4>多級頁表：所管理的內存大，頁表過長，無夠大連續空間存放頁表，對頁表進行分頁。
②分段式儲存管理：
<1>結構:
- 段:連續空間，不同段分散在不連續的地址塊。根據模塊將程序分為若干段，每段段內地址從0-段長-1。
- 地址結構：【段號|段內地址-偏移量】
- 段表：記錄段長和和段起始地址。
- 尋址方式：根據段號在段表中找到起始地址，判斷有無越界，加上偏移量，得到物理地址。
<2>與分頁式存儲的區別：
- 頁是信息的物理單位，實現內存的離散分配，減少碎片，完全是系統行為。
段是信息的邏輯單位，更好的滿足用戶需求。
- 頁的大小是固定的，由系統決定，段長是不固定的，決定於程序。
- 分頁的用戶程序地址空間是一維的，分頁是系統行為。分段的用戶程序地址空間是二維的，需給出段號和偏移量。
- 分段的用戶程序容易實現信息的共享和保護。
③段頁式存儲管理：
<1>先對程序分若干個段，再對每個段分頁，邏輯地址【段號|頁號|頁內地址】
<2>段表：【段號|頁表大小|頁表始址】
3.4，虛擬存儲器：
- 具有請求調入功能和置換功能，能從邏輯上對內存容量加以擴充的一種存儲器系統，其邏輯容量由內存容量和外出容量之和所決定
其運行速度接近於內存速度，而每位成本卻又接近於外存。
- 傳統存儲管理方式的特征：
①一次性：作業必須一次性全部裝入內存后才開始運行。
②駐留性：一旦作業裝入內存，會一直駐留在內存，直至作業運行結束。
- 局部性原理：
①時間局部性：如果執行了程序中某條指令，不久之后這條指令很可能再次執行。
某個數據訪問，不久后很可能再次被訪問。（因為程序中有大量循環）
②空間局部性：一旦程序訪問了某個存儲單元，不久之后其附近的存儲單元很可能被訪問。（因為很大數據是連續存放的）
③局部性原理的應用：
<1>高速緩存技術思想，將近期會頻繁訪問的到的數據放到更高速的存儲器中，暫時用不到的數據放在更低的存儲器中。
<2>TLB快表，
- 特性：
①多次性：一個作業的數據和程序允許分成多次調入內存。
②對換性：一個作業中的程序的數據，無需在作業運行時一直常駐內存，可換進換出
③虛擬性：從邏輯上擴充內存容量
- 請求分頁式存儲管理方式：
①請求頁表機制：【頁號|物理塊號|狀態|訪問字段|修改為位|外存地址】
狀態標識該頁是否在內存，訪問字段記錄一段時間內被訪問次數，修改位，若被修改換出內存時需要寫回外存。
②缺頁中斷機制：
- 當訪問某頁時，若該頁不在內存中，產生缺頁中斷。
- 中斷處理：將目標頁調入內存或換出頁面。
- 缺頁中斷為內中斷
- 一條指令可能產生多次缺頁中斷
③地址轉換機構
- 訪問塊表，命中則分獲取物理地址
- 未命中，查頁表，在頁表，則計算物理地址
- 未查到，缺頁中斷，進行相應置換。
- 頁面置換算法：
①最佳置換算法：理論上的，無法實現，所選取的淘汰頁面將是以后永遠不使用的。
②先進先出置換算法FSFO:最直觀，性能最差，應用極少
③LRU,(最近最久未使用)算法：賦予每個頁面對應頁表項中，用訪問字段記錄該頁面自上次被訪問以來經歷的時間t,當需要淘汰時，
選一個最大的t淘汰。
④Clock置換算法，將所有頁面，當頁面被分為后，訪問位設1，置換算法選擇淘汰頁時，遍歷隊列檢測訪問位，若是0，則換成。
若是1，將其置0，循環遍歷直到找到0；
最多經歷兩輪即可找到淘汰頁。
⑤改進Clock置換算法：增加一個因素：置換代價。將一個頁面換出時，若頁面數據已修改，需要重新寫回外存。
訪問位A,修改位：M
<1>A=0,M=0,最近未被訪問，也沒被修改，最佳淘汰頁。
<2>A=0,M=1,表示最近未被訪問，被修改，並不是很好的淘汰頁
<3>A=1,M=0,最近已被訪問，未被修改，該頁可能再被訪問。
<4>A=1,M=1,最近已被訪問，已被修改，該頁可能再被訪問。
【1】遍歷隊列，尋找第一類頁面，找到則換出。
【2】1未找到，則進行第二輪，尋找第二類，並將掃描過的頁面的訪問A該為0，找到則換出
【3】2未找到，重復第一步，若失敗，重復第二步，這一步一定能找到A=0,M=1的頁面。
最多經過4輪能找到。
第四章 外存管理（磁盤管理+文件管理）
4.1，相關名詞:
- 磁盤：外存的主要構成，存放大量文件，磁盤IO速度高低，直接影響系統性能。
- 盤面：磁盤設備（硬盤）中包括多個物理盤片，每個盤片有一個或兩個盤面。
- 磁道：每個盤面有若干磁道，磁道間有“間隙”Gap。
- 柱面：所有盤面的相同位置磁道構成的一個住面。
- 扇區：每條磁道又被從邏輯上划分成若干扇區，一個扇區稱為一個盤塊或數據塊。
4.2，磁盤訪問時間：
①尋道時間：將磁頭移到指定磁道所花費的時間。
②旋轉延遲時間：將指定扇區移動到磁頭下面的時間，不同磁盤旋轉速度不一樣。
③傳輸時間：指把數據從磁盤讀出或向磁盤寫入所經歷的時間，--和磁盤旋轉速度有關。
- 其中①和②占了絕大多時間。
4.3，磁盤調度算法：
- 為了減少對文件的訪問時間，由於磁盤訪問時間主要花在尋道上，即調度算法目的是使磁盤平均尋道時間最短。
①先來先服務FCFS：
②最短尋道時間優先SSTF：保證每次尋道時間是當前隊列中最短的，但無法保證平均尋道時間最短。
- 貪心，只選擇眼前最優的，可能導致飢餓。
③掃描算法SCAN：最短尋道時間優先實際上是一種優先級算法，優先級低的進程易飢餓。
- 掃描算法不僅考慮下一個訪問磁道與當前磁道的距離，還考慮磁頭當前的移動方向。如：當前磁頭正由里向外移動
應當是再本磁道外，且距離最近的優先。掃描到最外再向里掃描。
- 電梯調度算法。
-:對各個部分磁道響應頻率不同，邊緣部分，折返時又會遍歷一遍，而中部的遍歷時間相對較久。
④Lock算法：掃描算法中，磁頭每次要遍歷所有磁道，當像一個方向遍歷時，隊列中已經沒有該方向上磁道的訪問了，這時磁頭就可以轉向另一個方向遍歷了。
Lock算法（觀望）就是解決這個問題的。
⑤循環掃描算法C-SCAN：解決SCAN算法中對各個磁道響應頻率不同。規定磁道只沿一個方向移動，到達最端后直接返回起點遍歷。
⑥ C-Look算法：只有磁頭移動的方向上沒有請求了，直接返回起點。
4.4，磁盤存儲器（外存）管理：
4.4.1，外存分配方式（外存的組織/管理方式）：
①連續分配方式：將每一個文件分配一組相鄰的盤塊，通常是同一個磁道上。讀寫時不必移動磁頭。
- 順序文件結構--順序文件
+：易訪問，順序訪問速度快
-：<1>內存碎片化,<2>需要預知文件大小， <3>刪除文件不靈活 <4>不能動態增長文件。
②連接分配：將文件裝入多個離散的盤塊，再通過連接指針連接成鏈表。
- 隱式連接：文件控制塊 FCB中包含指向第一個和最后一個盤塊的指針。每個盤塊有指向下一盤塊的指針。
--只適合用於順序訪問，即鏈表的隨機訪問問題。
- 顯示連接：建立一張連接表，將各物理塊的指針都放入，整個磁盤只設置一張。每個文件的第一個
盤塊地址作為文件地址放入FCB中。找第i塊時，在FAT中遍歷找到其物理塊號，再去訪問。
<1>FAT技術（文件分配表），引入卷（CDEF盤，每個）
<2>MFT
③索引分配：顯示連接雖然解決了，離散分配隨機訪問的問題，但也帶來了新問題：<1>不支持高效直接存取。<2>FAT占用較大空間
- 單級索引：為每個文件分配一個索引塊，順序存放該文件用到的的盤塊號，FCB中存放文件索引塊的地址，不用將FAT調入內存，文件較大時適合。
+：<1>支持直接訪問，如某文件第i塊，在索引塊中找到盤塊號得到物理地址即可。<2>無內存碎片。
-：小文件（只占10幾個塊以內）采用索引分配（一個塊可以存放數百個塊號）
- 多級索引：每一個索引盤塊，容納的盤塊號數量有限，大文件可能需要很多盤塊號。---多級索引。
+：大大加快文件查找速度。
-：<1>所需啟動磁盤的次數隨索引級數的增加而增多，<2>實際情況：小文件居多，大文件較少，采用多級索引分配效果不理想。
- 增量式索引分配：對小，中，大，特大文件，采用不同分配方式。若盤塊大小為1~4KB。
- 對於小文件（少於10個盤塊1~10K,4~40K）：將所有盤塊地址都放入FCB--直接尋址。
- 中等文件（11~256K，5~4MB）:可采用單級索引分配--一次間址。
- 大型文件：采用多級索引，--二次/多次間址。
4.5，文件管理：
4.5.1，文件分類
①系統文件。用戶文件。庫文件。
②源文件（ASCII或漢字）。目標文件（由源文件編譯生成）。可執行文件.exe
③只執行文件。只讀文件。讀文件。
④普通文件。目標文件。特殊文件（指系統中各類IO設備，為統一管理，系統將所有IO設備視為文件。
4.5.2，磁盤分區：文件區+目錄區。
①文件目錄：一種數據結構，
- 功能：<1>按名存取<2>提高檢索速度<3>文件共享<4>允許文件重名（不同路徑下）
- 為構建目錄，需要對文件設置用於描述和控制的文件的數據結構。FCB
②FCB文件控制塊：包含文件基本信息：<1>文件名<2>物理位置<3>類型，大小<4>文件結構
③索引節點：改進FCB，提高索引搜索效率。
- 存儲除文件名外的所有的信息。
- 索引時用到的信息較少，不用將目錄加載如內存
- 目錄中只含有文件名和指向文件索引節點的指針。
4.5.3，文件的邏輯結構：
- 無結構文件：由一系列二進制流或者字符流組成的“流文件”。.txt
- 有結構文件：由記錄組成。如excel，sql。記錄又可分為定長記錄，變長記錄。
<1>順序文件。<2>索引文件。<3>索引順序文件。
①順序文件：
- 鏈式存儲：可變長/定長記錄都不能實現隨機存取。
- 順序存儲：
可變長記錄：無法實現隨機存取
定長記錄：可實現隨機存取
串結構：無法快速找到某關鍵字對應的記錄。
順序結構：可以快速找到某關鍵字對應的記錄。
②索引文件：解決可變長記錄文件查找慢的問題。
- 每個文件建立一張索引表，索引表表項為文件中的記錄。
- 適用於對信息的及時處理要求比較高的場合。
- 可以對不同數據項建立不同索引表。
③索引順序文件：
- 讓每一個記錄對應一個索引表表項太過浪費。
- 讓一組記錄對應一個索引表項。
- 多級索引。
4.5.4，文件的物理結構：外存中分配/組織方式
①連續分配：每個文件在磁盤上占用一組連續的塊。
+：<1>讀寫速度快，磁頭移動距離短。<2>可隨機訪問
-：<1>文件擴展不方便，（如文件后無足夠大連續空間只能移動位置）<2>外存碎片。
②連接分配：
- 隱式連接：FCB中有記錄起始塊號和結束塊號。
- 每個塊有指向下一塊的指針。（鏈表不支持隨機訪問問題）
+：方便拓展，不產生碎片
- 顯式連接：維護文件分配表FAT,表項把塊號和下一塊塊號記錄下來。
- 一個磁盤維護一張FAT，開機后，FAT讀入內存並常駐內存。
+：支持隨機訪問。不產生碎片
-：維護FAT需要空間。
③索引分配：允許文件離散的分配在磁盤中，為每個文件建立一張索引表，記錄文件的各個邏輯塊對應的物理塊號。記錄索引表的盤塊叫索引塊
- FCB中存放索引塊的地址。
+：支持隨機訪問，拓展方便，
-：索引需要一定空間
- 若文件太大一個所有塊存不下：
<1>連接方案：每個索引塊有指向下一個索引塊的地址
<2>多級索引
<3>混合索引：避免小文件情況下浪費空間。
4.6，文件存儲空間管理：磁盤空閑區管理：
4.6.1：存儲空間的划分：
①文件卷：（邏輯卷概念）CDEF盤，
- 一個文件卷可以由多個物理磁盤組成。
- 一個物理磁盤可以划分為多個卷。
②每個卷可分為
目錄區：存放：FCB,索引節點，空閑表，超級塊等
文件區:存放文件。
4.6.2，空閑分區管理方法：
①空閑表法：記錄每一個連續空閑分區的起始塊號和塊數，
- 適用於文件文件物理結構為連續分配方式
- 分配與回收時要合並分區，與內存分配類似。
②空閑鏈表法：
- 空閑盤塊鏈：以盤塊為單位鏈起來。一個鏈表。
+：分配回收簡單
-：鏈很長
- 空閑盤區鏈：將空閑區鏈成一個鏈，盤區是相鄰的空閑盤塊鏈（標明盤區大小）
- 分配與回收時要合並分區，與內存分配類似
③位示圖法：用一位二進制，表示一個盤塊的使用情況0-空閑，1-已分配
- 用一個二位數組表示磁盤區的盤塊分配情況。
④成組連接法：linux系統采用。
- 文件卷的目錄區中設置一個超級塊（鏈表頭，類似索引塊），系統啟動會將超級塊讀入內存。
- 超級塊中記錄了下一組空閑盤塊的個數和盤塊號。
- 類似空閑盤區鏈，只是規定每個鏈的長度，如100 個，每個鏈中的盤塊是離散的
- 盤塊的分配與回收采用頭插法。
第五章 IO管理
5.1，IO系統功能：
①方便用戶使用IO設備
②提高CPU和IO設備的利用率
③用戶在共享設備時提高方便
5.2，IO設備分類
①按使用特性：
- 存儲設備：也稱外存/輔存
- IO設備，鍵盤，鼠標，掃描儀，視頻攝像，打印機，繪圖儀
- 網絡通信設備
②按傳輸速率：
- 低速：鍵盤
- 中速：打印機
- 高速：磁帶機，光盤機
5.3，IO控制器
- 接收識別CPU發出的命令
- 向CPU報告識別狀態
- 數據交換
- 地址識別
5.4，IO控制方式：控制IO設備的讀和寫
①程序直接控制方式：
- CPU向控制器發出指令，啟動設備，狀態：未就緒
- （啟動完成之前）輪詢其他控制器狀態，就緒了就可以傳送數據，將數據讀入CPU寄存器
- 啟動完成，報告自己狀態。（已就緒）
- 發現設備已就緒，將數據讀入CPU寄存器
+：實現簡單
-：CPU干預頻繁，CPU與IO設備串行工作，利用率低
②中斷驅動方式
- 由於IO設備速度慢，CPU發出讀寫命令后，將等待IO進程阻塞，先切換其他進程執行。當IO完成后，控制器發出一個中斷信號，CPU檢測中斷信號
進行進程調度，處理等待IO進程。
- CPU執行完每個指令都會檢查中斷
- 中斷處理耗時，太頻繁降低利用率。
+：CPU可以與IO並行，降低CPU干預
-：頻繁中斷會消耗CPU時間
③DMA方式：直接存儲器方式
- 數據傳送以塊為單位
- 數據的流向從設備直接放入內存，或內存到設備
- CPU干預少，只在開始和結束時干預
+：以塊為單位傳輸數據，CPU干預進一步降低
-：CPU每發出一條指令，只能讀/寫一個或多個連續的塊。離散的數據塊要多條指令
④通道方式：--一種硬件，“低配CPU”專門處理IO的處理器，能識別通道指令
- CPU干預低，一次給通道一組讀寫任務，完成后才中斷，請求CPU干預
- 數據傳輸單位：一組數據塊
+：CPU通道，IO設備可並行工作，資源利用率高。
-：實現復雜，需要專門的硬件支撐
5.5，IO系統的層次結構：
①用戶層IO軟件 實現與用戶交互的接口，用戶可直接調用該層提供與IO相關的庫函數，對設備進行操作
②設備獨立性軟件 用於實現用戶程序與設備驅動器的統一接口
③設備驅動程序 與硬件直接相關，用於具體實現系統對設備發出的操作指令
④中斷處理程序 用於保存被中斷進程的CPU環境
⑤硬件
5.6，IO核心子系統功能：
①假脫機技術：SPOOling
- 脫機技術：用外圍控制機和磁帶緩解紙帶與CPU之間的速度差
- 假脫機：用軟件的方式模擬外圍控制機模擬假脫機技術
- 實現共享獨占設備
②設備分配與回收
<1>設備：
- 獨占設備：打印機
- 共享設備：磁盤
- 虛擬設備：SPOOLing技術的共享打印機
<2>分配方式：
- 安全分配方式：一個進程一次只能使用一個設備，破壞“請求保持條件”，不死鎖。
分配IO的進程將阻塞，CPU與IO設備只能串行工作
- 不安全分配方式：一個進程可以使用多個設備
效率高，但可能會引發死鎖
- 靜態分配：進程運行前為其分配所需的全部資源，不滿足則阻塞，滿足則運行結束釋放所有資源
不發生死鎖
- 動態分配：動態申請設備資源。
③通道技術
- 一個通道可以控制多個控制器
- 一個控制器可控制多個設備
5.7，緩沖區管理：
- 緩沖區：一個內存區域，可有專門的硬件組成，也可利用內存作為緩沖區。
- 緩沖區作用：
<1>緩和CPU與IO設備之間速度不匹配的矛盾
<2>減少CPU的中斷頻率，放寬CPU中斷響應時間限制
<3>解決數據粒度不匹配問題
<4>提高CPU與IO設備之間的並行性
- 單緩沖：在內存中分配一個緩沖區
- 雙緩沖：交替使用，（防止出現內存或CPU等待緩沖區寫滿）
- 循環緩沖區：將多個大小相等的緩沖區連接起來
- 緩沖池：由系統中的公用緩沖區組成