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:

  1. 前台進程:前台進程就是具有終端,可以和用戶交互的進程
  2. 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
  3. 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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