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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SUV確實很火 但這幾款真正品質出色的SUV為何沒啥人關注?_網頁設計

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對於目前的汽車市場,相比前些年已經發生了不少的變化。之前的一段時間可能大家買車的時候都在關注小型車為主,有些改善型買家則偏向於一些高品質的中型車為主,只是時代是在發展的。消費者的胃口也是跟着發生變化,

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油耗,是一個老生常談的話題,對於同一樣車而言,可能會出現好幾種油耗,畢竟開的人不同,但是都有一個共同點,基本是很少人能開到工信部的油耗,都是比工信部油耗比較高一些,那麼,就會很多人問了,為什麼我怎麼開都開不到工信部的油耗,其實很簡單,方式不同。

工信部的油耗是怎麼測出來?

工信部測試油耗的的車輛,基本都是過了3000公里磨合期的車。而測試的方式也很多種,有台架測試,實際道路測試等,而工信部所採用的測試方式,就是台架測試,簡單說,就是放在一個測試機器上,通過各種路況,車速,換擋等等情況模擬去測試,最後通過測量碳排放,利用碳平衡的方法來測量油耗。

所以簡單來說,工信部的測試過程,是很流暢的,是非常極致的理想工況模擬,類似你上高速前清零了,

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然後直接上高速,開着巡航的瞬間油耗,在加上工信部的測試中,並沒有計算到風阻,各種突發的情況,加上個人的駕駛習慣,而三種都會讓油耗產生一定的變化,特別是個人的駕駛習慣。

還有一點就是,在日常用車當中,空調不可能不開吧?燈光不可能不開吧?音響基本都開吧?等等,而這些,同樣也會讓油耗值發生一定的變化,要明白,一輛車絕大部分的設備都是在靠油為燃料去運作的,雖然影響不算太多。

為什麼不人工測試?

這很簡單,那麼多需要測試的車輛,如果要一輛一個人去測試的話,很浪費人力物力,而且也存在一定的誤差,也就是所說個人駕駛習慣。而工信部目前的一輛車測試的時間不到20分鐘,在這個時間裏面,測試的工況有四個市區和一個郊區,並且是理想的,平均下來一個模擬工況才4分鐘左右,最後根據一些方式計算出相信燃油消耗。

可不可信?

這沒有可不可信的問題,工信部油耗之所以叫工信部油耗,就是給你在買車的時候一個參考值而已,因為,所有的車輛都是這樣測試出來,還是會有車輛油耗的高低之分,這對於選車買車時候有一定幫助。當然,在一些垂直汽車網站上也可以得到用戶的口碑的油耗,從中和工信部油耗做個對比,在和你選擇車型之間做個對比,自然就可以得出大概的結論,哪輛車是真的比較省油,哪輛車比較耗油,不過,到了真正使用的時候,還是得看你個人的駕駛情況了。本站聲明:網站內容來源於http://www.auto6s.com/,如有侵權,請聯繫我們,我們將及時處理

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所以說,雖然卡羅拉讓很多人感到了性冷淡,但對很多家庭消費者來說這“性冷淡”就是他們所希望的。過日子嘛,就是介個樣子。關注度第三名東風本田-思域官方指導價:12。99-16。99萬點評:思域到底有多火。現在隨便一個本田的4S店都給你玩加價提車的把戲,還是得好幾個月才能提的車(這事就沒人管管。

買車確實是一件讓人頭大的事情,既羡慕合資的做工,又羡慕自主品牌的高性價比,既想要B級車的寬大空間,又想要A級車的緊湊靈活,如此一層層糾結下來簡直讓人痛不欲生。正因如此,大家總喜歡在各種汽車網站上關注、了解各種心儀的車型。今天,就給大家盤點一下《大夥最關注的轎車排行榜》,好讓大夥有一個購車的參考。

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點評:不管預算高或低,消費者在選車時必定會把大眾旗下的車型先了解一遍,這就是大眾在中國的影響力。而速騰作為大眾的緊湊型全球車型,首當其沖的競爭力便是車頭上掛的那塊大眾車標。此外,作為大眾家族運動擔當的高爾夫也有着相當不錯的群眾基礎,但中國消費者總對這兩廂的造型心存芥蒂,於是在高爾夫基礎上多了尾箱的速騰就相當符合消費者的口味了。從售價上,速騰依然保持了大眾“沒有性價比”的家族式賣點,但也好在同價位該有的先進配置也算是一個不少。再者,一直被速騰車主所津津樂道的四連桿獨立后懸以及德系紮實厚重的底盤調校,也確實是日系車型所沒有的。車標牛逼,操控過得去,三廂的設計也不至於被老婆吐槽不實用,還是大眾最懂中國人。

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點評:雖然無數人在鍵盤上吐槽卡羅拉—日系車的身份、車皮薄、開起來毫無運動感,但事實卻是當大家要買車的時候,又毫無懸念地關注起這款車型,甚至刷卡給錢。造型犀利?在昂克賽拉面前被秒成渣;運動感十足?那副調校比棉花還軟的扭力梁后懸相當不給力;配置屌炸天?沒有,連個全景天窗都沒有。但卡羅拉勝在有2700mm的軸距,

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後排的爸媽是不用擔心受罪了。可模擬8擋的CVT變速箱雖說開不了快車,但勝在如飄柔般順滑以及超低的油耗表現。當然,豐田造的車,你是幾乎不用擔心修車這件事情的。所以說,雖然卡羅拉讓很多人感到了性冷淡,但對很多家庭消費者來說這“性冷淡”就是他們所希望的。過日子嘛,就是介個樣子。

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點評:思域到底有多火?現在隨便一個本田的4S店都給你玩加價提車的把戲,還是得好幾個月才能提的車(這事就沒人管管?)。歸根到底,還是因為思域是整個緊湊級轎車市場為數不多主打運動風的車型。本來就屬於黑科技的1.5L地球夢發動機加上了輕量化小渦輪以後,爆發出同級最強的177ps馬力,官方公布的百公里加速時間為8.7秒,實在令一眾的同級車型汗顏。除了動力上威武,玩起了轎跑風設計的思域也算是有着超高的顏值,犀利富有攻擊性的前臉設計、流暢動感的大溜背、誇張個性的C型尾燈,就算不跑起來,思域也足夠讓人矚目了。不過在我看來思域還有一個殺手鐧,比起同樣主打運動風的昂克賽拉只能坐寵物的後排,思域的後排完全是具有超高的實用性的,做到了運動、家用的兩不誤。

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點評:在過去的2015年,這軒逸足足賣出了33萬台之多,穩居2015年轎車銷量榜的亞軍位置(冠軍為朗逸),完全就是牛逼中的戰鬥機。憑藉著在2015年的超高人氣,今年3月完成換代的軒逸依舊保持了相當的熱度。新款的軒逸補齊了老款軒逸安全配置低的槽點,車身穩定系統、胎壓監測等安全配置終於是有了着落,同時也加入了主動剎車、車道偏離預警等主動的安全配置。此外,日產一貫是製造沙發的能手(日產不去做沙發真的太可惜了),軒逸的座椅舒適度依舊是同級車型的領先水平,舒適的程度是看了就想坐,坐了就不想起來。

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點評:萬年大眾神車,不知道連續榮膺轎車銷量榜冠軍多少屆。要是有磚家做一個“為什麼朗逸賣這麼多年依然這麼火”的課題,那下一屆的諾貝爾經濟學獎准得頒給他。它銷量這麼牛,我都不知道該說什麼…

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M1 MacBook Air / MacBook Pro / Mac Mini 在台開賣,RAM 升級要 6,000_網頁設計公司

※綠能、環保無空污,成為電動車最新代名詞,目前市場使用率逐漸普及化

台中景泰電動車行只是一個單純的理由,將來台灣的環境,出門可以自由放心的深呼吸,讓空氣回歸自然的乾淨,減少污染,留給我們下一代有好品質無空污的優質環境

終於,在「效率」上贏得全面優異好評的 Apple M1 晶片 MacBook Air、MacBook Pro 與 Mac mini 在通過 NCC 之後,已經全面在蘋果線上商店開賣。現在購買的話,基本上都能在 1/5 日以前送達消費者手中。至於升級 RAM 與 SSD 的價格也已經正式公佈… 繼續閱讀 M1 MacBook Air / MacBook Pro / Mac Mini 在台開賣,RAM 升級要 6,000 報導內文。

【 購買 M1 MacBook Air(官網) 】

▲圖片來源:Apple

M1 MacBook Air / MacBook Pro / Mac Mini 在台開賣,RAM 升級要 6,000

採用蘋果自家 M1 晶片,全面轉換為 ARM 架構的新世代 Mac 入門產品線,在今天早上已經正式在官方商店開賣。新世代的 M1 MacBook Air、M1 MacBook Pro 與 M1 Mac mini,其實應該不用多作介紹 — 儘管發表會上蘋果一直持續的「快快快」多少,當時還沒太多人相信。

直到正式上市之後才發現,這一系列的入門蘋果電腦產品,居然效能與功耗表現都真的不錯,而且還沒被 Rosetta 2 轉譯拖慢太多速度(!),緊接著各家選擇支援 Apple Silicon 的速度也超乎想像的快。甚至原生支援 ARM 的應用,在效能上更是直逼高階 Intel Mac 產品 — 這裡就不說 Adobe 補刀的故事了(咦)。

這次的 M1 Mac 主要的差異在,相較於另外兩款 MacBook Air 採用的是無風扇的設計(MBA 基礎機型的 GPU 也少 1 核),在長時間高負載的情況下,理論上效能會遜色於搭載風扇的機型。

【 購買 M1 MacBook Pro(官網) 】

是說,既然幾款 M1 Mac 的價格早已公布,這次主要的新消息大概就是升級 RAM 與 SSD 的售價了 — 兩者基本上都是 6,000 起跳;而從 256GB 升級到 2TB 則是價差 NT$24,000;512GB 升級到 2TB 為 NT$18,000。

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疫情讓民眾都感到人心惶惶,特別是近日來本土案例的出現更是讓人感到恐慌,但生活總免不了要外出,太過突兀的到處消毒行為大家又覺得很尷尬,國外有廠商開發出一款可以將消毒液直接配戴到身上的 SprayCare 消毒手環,舉起手來就像蜘蛛人一般噴出消毒液,就算搭電梯也可以輕鬆消毒要觸碰的按鍵。

國外集資 SprayCare 消毒手環,要接觸的東西都能噴一下

由於全球疫情的關係促進各種防疫類產品的誕生,在國外集資平台 Kickstarter 上出現一款可以隨身佩帶的智慧手環,但它可不是為了用來監控你的作息、生活與步數之類的健康指數,「SprayCare」這款產品是一款標榜輕量、舒適的穿戴裝置,將儲存在小巧機身裡的消毒液以霧化的微小水珠噴灑出來。
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從官方資料來看,這款手環的尺寸與智慧型手錶差不多,只是在配戴時剛好與手錶相反,消毒器必須置於手腕內側,內部可添加自家裡的液態消毒液(凝膠狀不行),像是酒精等,每一次裝填的消毒液容量為 5 毫升,可供噴灑超過 40 次。當你觸控機身上的按鈕後,內部配備的新一代霧化器就會噴灑出比一般噴頭更細小,覆蓋更均勻的水珠,噴灑時間為 3 秒鐘,在消毒同時不造成到處濕淋淋的觸感。

當然這款手環也是需要充電的,內建 80mAh 鋰電池。整體而言這款產品的確頗為實用,畢竟外出時不像在家那麼方便,你也不會想要帶一瓶體積相形之下更為笨重的消毒液在身上,SprayCare 無疑是一種滿足有隨時或其他消毒需求的方案。像是車裡的方向盤、辦公室裡的鍵盤滑鼠、搭捷運時的握把拉桿、搭電梯時的按鈕以及小朋友可能到處亂摸,你都能夠隨時隨地順手噴一下,但要切記,千萬不要對著臉跟眼睛噴啊!

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國外開發者成功在 M1 Mac 上運行 Nintendo Switch 遊戲_網頁設計公司

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稍早 M1 MacBook Air / MacBook Pro / Mac Mini 終於正式在台開賣,目前軟體的支援性還沒有算很好,很多都需要透過 Rosetta 2 來模擬,不過國外多篇評測也顯示,即使是模擬也跑得很順,甚至還贏過 ARM Windows 版非常多,也能拿來玩遊戲,不僅如此,最近又有國外開發者實現一個很多人都想要的夢想:”成功在 M1 上運行 Switch 遊戲”,雖然速度似乎還沒有很順暢,但至少第一步已經實現,未來可說讓人相當期待。

M1 Mac 成功運行 Nintendo Switch 遊戲

一位名叫 Sera Tonin Brocious 的開發者,近日於個人 Twitter 上分享他成功在 M1 Mac 運行 Switch 版本的 Super Mario Odyssey(超級瑪利歐:奧德賽)遊戲影片,使用知名 Yuzu Emulator 模擬器實現:

I’m so fucking proud of this. It only gets a few frames into the game before it hits the first MoltenVK limitation, but damn. pic.twitter.com/NcLIBLWOPz

— Sera Tonin Brocious (@daeken) December 20, 2020

從影片可以看到,他從 Yuzu 模擬器選單中選擇打開 Super Mario Odyssey(超級瑪利歐:奧德賽)遊戲,成功進入 Loading 畫面,右下角也有寫著 NINTENDO SWITCH 的字樣,接著跳出如何使用 Joy-Con 控制的說明頁面,然後就進到遊戲主選單,選擇 “開始遊戲” 或 “從輔助模式開始”。

不過受限於 MoltenVK 的限制,跑起來沒有非常順暢。後續開發者也提到,在實際 Metal 的支援性到來之前,目前只能發揮中等效能:

It’s probably going to have pretty middling performance until the actual Metal backend is in place. Right now it’s going through MoltenVK which isn’t ideal for this situation.

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RWD(響應式網頁設計)是透過瀏覽器的解析度來判斷要給使用者看到的樣貌

— Sera Tonin Brocious (@daeken) December 20, 2020

至於是怎麼成功模擬運行的,Sera Tonin Brocious 就沒有特別說明,不過既然有人成功,就代表未來很有可能看到真正實現 M1 完美模擬 Nintendo Switch 的遊戲,再加上  Switch 使用的處理器也是 ARM 版本,難度也沒那麼高。

說真的,這還蠻讓人期待的,過去 Mac 最讓人詬病的一點,不外乎就是沒辦法玩什麼遊戲,但隨著改搭載 M1 晶片後,這缺點也瞬間消失。

資料來源:Sera Tonin Brocious

外媒爆料明年 Windows 10 有可能原生支援 Android App,不用再用模擬器

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一本正經的聊數據結構(6):最優二叉樹 —— 哈夫曼樹_租車

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前文傳送門:

「一本正經的聊數據結構(1):時間複雜度」

「一本正經的聊數據結構(2):數組與向量」

「一本正經的聊數據結構(3):棧和隊列」

「一本正經的聊數據結構(4):樹」

「一本正經的聊數據結構(5):二叉樹的存儲結構與遍歷」

基礎知識

感謝某位在後台留言的同學,讓我想起來我還有這個沒寫完的系列。

在最開始,先了解幾個基礎概念:

  • 路徑:在一棵樹中,一個結點到另一個結點之間的通路,稱為路徑。

上面這個二叉樹中,根節點 A 到恭弘=叶 恭弘子結點 I 的路徑,就是A,B,D,I。

  • 路徑長度:在一條路徑中,每經過一個結點,路徑長度都要加 1 。例如在一棵樹中,規定根結點所在層數為1層,那麼從根結點到第 i 層結點的路徑長度為 i – 1 。

在這個二叉樹中,根節點 A 到恭弘=叶 恭弘子結點 H 的路徑長度就是 3 。

  • 結點的權:給每一個結點賦予一個數值,被稱為這個結點的權。
  • 結點的帶權路徑長度:指的是從根結點到該結點之間的路徑長度與該結點的權的乘積。

我們假設節點 H 的權是 5 ,從根結點到結點 H 的路徑長度是 3 ,那麼結點 H 的帶權路徑長度是 3 X 5 = 15。

  • 樹的帶權路徑長度:在一棵樹中,所有恭弘=叶 恭弘子結點的帶權路徑長度之和,被稱為樹的帶權路徑長度,也被簡稱為 「WPL」 。

還是這顆樹,它的帶權路徑長度是 1 X 2 + 2 X 1 + 2 X 3 + 2 X 4 + 3 X 5 + 3 X 6 = 51 。

哈夫曼樹

哈弗曼樹就是在用 n 個結點(都做恭弘=叶 恭弘子結點且都有各自的權值)試圖構建一棵樹時,如果構建的這棵樹的帶權路徑長度最小,稱這棵樹為「最優二叉樹」,有時也叫「哈夫曼樹」或者「赫夫曼樹」。

在構建哈弗曼樹時,要使樹的帶權路徑長度最小,只需要遵循一個原則,那就是:權重越大的結點離樹根越近。

需要注意的是,同樣恭弘=叶 恭弘子結點所構成的哈夫曼樹可能不止一顆,在同一層,左右恭弘=叶 恭弘子節點交換位置,樹的帶權路徑長度是一樣的,就比如下面這兩個哈夫曼樹:

哈弗曼樹的構建過程

那麼如何構建一個哈夫曼樹呢?我們這裏舉個例子,比如我們有這麼幾個恭弘=叶 恭弘子節點:3,4,7,9,13,15,17:

第一步:選出兩個最小的權值,對應的兩個結點組成一個新的二叉樹,且新二叉樹的根結點的權值為左右孩子權值的和:

第二步:從隊列中移除上一步選擇的兩個最小結點,把新的父節點加入隊列,也就是從隊列中刪除 3 和 4 ,插入 7 ,並且仍然保持隊列的升序:

第三步:選擇當前權值最小的兩個結點,生成新的父結點。

這一步其實是在重複上一步操作,當前隊列中最小的節點是 7 和 7 ,生成新的父結點權值是 7 + 7 = 14 :

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第四步:從隊列中移除上一步選擇的兩個最小結點,把新的父節點加入隊列。

這一步依然是在重複,從隊列中刪除 7 和 7 ,加入 14 ,並且仍然保持隊列的升序:

第五步:選擇當前權值最小的兩個結點,生成新的父結點。

這一步還是重複操作。當前隊列中權值最小的結點是 9 和 14 ,生成新的父結點權值是 9 + 14 = 23 :

第六步:從隊列中移除上一步選擇的兩個最小結點,把新的父節點加入隊列。

這一步依然是在重複,從隊列中刪除 9 和 14 ,加入 23 ,並且仍然保持隊列的升序:

第七步:選擇當前權值最小的兩個結點,生成新的父結點。

這一步從隊列中選擇權值最小的結點是 13 和 15 ,生成新的父結點權值是 13 + 15 = 28 :

第八步:從隊列中移除上一步選擇的兩個最小結點,把新的父節點加入隊列。

從隊列中刪除 13 和 15 ,加入 28 ,並且仍然保持隊列的升序:

第九步:選擇當前權值最小的兩個結點,生成新的父結點。

這一步從隊列中選擇權值最小的結點是 17 和 23 ,生成新的父結點權值是 17 + 23 = 40 :

第十步:從隊列中移除上一步選擇的兩個最小結點,把新的父節點加入隊列。

從隊列中刪除 17 和 23 ,加入 40 ,並且仍然保持隊列的升序:

第十一步:選擇當前權值最小的兩個結點,生成新的父結點,移除隊列中的最後兩個節點(懶得畫了,最後兩步並一步)。

這一步從隊列中選擇權值最小的結點是 28 和 40 ,生成新的父結點權值是 28 + 40 = 68 :

此時,我們得到的這棵樹就是哈弗曼樹。

哈夫曼樹就介紹到這裏,下一節,將會介紹哈夫曼樹的用途:哈夫曼編碼。

參考

http://c.biancheng.net/view/3398.html

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1663514710675419737&wfr=spider&for=pc

本站聲明:網站內容來源於博客園,如有侵權,請聯繫我們,我們將及時處理

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目錄

  • 1 前言
  • 2 文件夾操作
    • 2.1 查詢操作
    • 2.2 創建操作
    • 2.3 刪除操作
    • 2.4 修改操作
  • 3 文件操作
    • 3.1 查詢操作
    • 3.2 創建操作
    • 3.3 修改操作
    • 3.4 刪除
  • 4 路徑操作
  • 5 示例應用
    • 5.1 批量修改文件名
    • 5.2 遍歷目錄及子目錄下所有指定擴展名的文件
    • 5.3 按修改時間排序指定目錄下的文件
  • 6 總結
  • 參考資料
  • 往期文章

使用python的os模塊,簡單方便完成對文件夾、文件及路徑的管理與訪問操作。

1 前言

在最近開發中,經常需要對文件進行讀取、遍歷、修改等操作,想要快速、簡單的完成這些操作,我選擇用 python 。通過 python 的標準內置 os 模塊,只需要幾行代碼,即可完成想要的操作。經過對 os 的使用,本文把 os 模塊的常用的操作進行總結,主要分為以下幾個劃分:

  • 文件夾操作:即文件夾的創建、修改(改名/移動),查詢(查看、遍歷)、刪除等。
  • 文件操作:即文件的創建、修改、讀取、刪除等。
  • (文件夾/文件)路徑操作:即文件夾或文件的路徑操作,如絕對路徑,文件名與路徑分割,擴展名分割等

本文涉及常用 的 os 函數的使用展示,主要使用 python 交互模式下進行代碼說明。後續操作默認已經引入 os 模塊,如下:

import os

2 文件夾操作

以本地 E://pythontest 目錄作為演示目錄,此目錄下當前文件如下:

test
 │ test.txt
 └─test-1
     test-1.txt

testtest-1 是文件夾,test.txttest-1.txt 是文件。

2.1 查詢操作

熟悉 linux 同學應該對 ls / pwd / cd 等操作不陌生,對應的 python 也有對應的方法,主要包括:

  • listdir : 文件及目錄列表
  • getcwd :獲取當前目錄
  • chdir :更換目錄
  • stat :文件及目錄基本信息
  • walk :遞歸遍歷目錄
>>> os.chdir("E://pythontest")  # 更改目錄
>>> os.getcwd()                 # 獲取當前目錄
'E:\\pythontest'
>>> os.listdir("test")          # 文件及目錄列表,相對路徑
['test-1', 'test.txt']          
>>> os.listdir("E://pythontest/test")  # 文件及目錄列表,絕對路徑
['test-1', 'test.txt']
>>> os.stat("test")             # 獲取目錄信息
os.stat_result(st_mode=16895, st_ino=4503599627377599, st_dev=266147611, st_nlink=1, st_uid=0, st_gid=0, st_size=0, st_atime=1590833033, st_mtime=1590832647, st_ctime=1590832207)
>>> os.stat("test/test.txt")    # 獲取文件信息
os.stat_result(st_mode=33206, st_ino=2251799813692354, st_dev=266147611, st_nlink=1, st_uid=0, st_gid=0, st_size=4, st_atime=1590832653, st_mtime=1590832609, st_ctime=1590832598)

其中 stat 函數返回的是文件或者目錄的基本信息,具體如下:

  • st_mode: inode 保護模式
  • st_ino: inode 節點號。
  • st_dev: inode 駐留的設備。
  • st_nlink: inode 的鏈接數。
  • st_uid: 所有者的用戶ID。
  • st_gid: 所有者的組ID。
  • st_size: 普通文件以字節為單位的大小
  • st_atime: 上次訪問的時間。
  • st_mtime: 最後一次修改的時間。
  • st_ctime: 創建時間。

日常使用中,我們一般使用 st_size 、st_ctime 及 st_mtime 獲取文件大小,創建時間,修改時間。另外,我們看到輸出的時間是秒數,在這裏提一下,關於日期的轉換處理。

(1)秒數轉日期時間格式字符串

>>> import time                              # 引入time模塊
>>> timestruct = time.localtime(1590803070)  # 轉換為時間結構體
>>> print(timestruct)
time.struct_time(tm_year=2020, tm_mon=5, tm_mday=30, tm_hour=9, tm_min=44, tm_sec=30, tm_wday=5, tm_yday=151, tm_isdst=0)
>>> time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S",timestruct)   # 格式化時間
'2020-05-30 09:44:30'

(2)格式日期時間字符串轉秒數

>>> import datetime               # 引入datetime模塊
>>> timeobject = datetime.datetime.strptime("2020-05-23 10:00:00","%Y-%m-%d %H:%M:%S") #解析時間字符串為時間對象
>>> timeseconds=time.mktime(timeobject.timetuple())  # 獲取時間秒數
>>> print(int(timeseconds))       # 轉為int显示
1590199200
  • 遍歷操作

    walk 函數對目錄進行遞歸遍歷,返回 root,dirs,files,分別對應當前的遍歷的目錄,此目錄中的子目錄及文件。

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>>> data = os.walk("test")               # 遍歷test目錄
>>> for root,dirs,files in data:         # 遞歸遍歷及輸出
...    print("root:%s" % root)
...    for dir in dirs:
...       print(os.path.join(root,dir))
...    for file in files:
...       print(os.path.join(root,file))
...
root:test
test\test-1
test\test-2
test\test.txt
root:test\test-1
test\test-1\test-1.txt
root:test\test-2
test\test-2\test-2.txt

2.2 創建操作

  • mkdir :新建單個目錄,若目錄路徑中父目錄不存在,則創建失敗

  • makedirs :新建多個目錄,若目錄路徑中父目錄不存在,則自動創建

>>> os.mkdir("test")
>>> os.mkdir("test1/test1-1")          # 父目錄不存在,報錯
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
FileNotFoundError: [WinError 3] 系統找不到指定的路徑。: 'test1/test1-1'
>>> os.makedirs("test1/test1-1")       # 父目錄不存在,自動創建
>>> os.listdir("test1")
['test1-1']

2.3 刪除操作

  • rmdir :刪除單個空目錄,目錄不為空則報錯
  • removedirs : 按路徑刪除遞歸多級空目錄,目錄不為空則報錯
>>> os.rmdir("test1")                         # 若目錄不為空,報錯
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
OSError: [WinError 145] 目錄不是空的。: 'test1'
>>> os.rmdir("test1/test1-1")
>>> os.removedirs("test1/test1-1")            # 刪除多級空目錄
>>> os.listdir(".")
['test']

由於刪除空目錄的限制,更多的是使用 shutil 模塊中的 rmtree 函數,可以刪除不為空的目錄及其文件。

2.4 修改操作

  • rename :重命名目錄或文件,可修改文件或目錄的路徑(即移動操作),若目標文件目錄不存在,則報錯。
  • renames :重命名目錄或文件,若目標文件目錄不存在,則自動創建
>>> os.makedirs("test1/test1-1")
>>> os.rename("test1/test1-1","test1/test1-2")     # test1-1 修改為test1-2
>>> os.listdir("test1")
['test1-2']
>>> os.rename("test1/test1-2","test2/test2-2")     # 由於test2目錄不存在,報錯
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
FileNotFoundError: [WinError 3] 系統找不到指定的路徑。: 'test1/test1-2' -> 'test2/test2-2'
>>> os.renames("test1/test1-2","test2/test2-2")    # renames可自動創建不存在的目錄
>>> os.listdir("test2")
['test2-2']

如果目標路徑文件已經存在,那麼os.rename()和os.renames()都會報錯:FileExistsError: [WinError 183] 當文件已存在時,無法創建該文件。

3 文件操作

3.1 查詢操作

  • open/read/close :文件讀取
  • stat :文件信息,詳細見前面文件夾中的 stat 說明
>>> f = os.open("test/test.txt", os.O_RDWR|os.O_CREAT)  # 打開文件
>>> str_bytes = os.read(f,100)                          # 讀100字節
>>> str = bytes.decode(str_bytes)                       # 字節轉字符串
>>> print(str)
test write data
>>> os.close(f)                                         # 關閉文件

注意 open/read/close 需要一起操作,其中 open 操作需要指定模式,上述是以讀寫模式打開文件,若文件不存在則創建文件。各模式具體如下:

flags — 該參數可以是以下選項,多個使用 “|” 隔開:

  • os.O_RDONLY: 以只讀的方式打開
  • os.O_WRONLY: 以只寫的方式打開
  • os.O_RDWR : 以讀寫的方式打開
  • os.O_NONBLOCK: 打開時不阻塞
  • os.O_APPEND: 以追加的方式打開
  • os.O_CREAT: 創建並打開一個新文件
  • os.O_TRUNC: 打開一個文件並截斷它的長度為零(必須有寫權限)
  • os.O_EXCL: 如果指定的文件存在,返回錯誤
  • os.O_SHLOCK: 自動獲取共享鎖
  • os.O_EXLOCK: 自動獲取獨立鎖
  • os.O_DIRECT: 消除或減少緩存效果
  • os.O_FSYNC : 同步寫入
  • os.O_NOFOLLOW: 不追蹤軟鏈接

3.2 創建操作

前面已提到,使用 open ,指定模式, 若文件不存在,則創建。有點類似 linux 操作中的 touch。

>>> f = os.open("test/test.txt", os.O_RDWR|os.O_CREAT)   # 若文件不存在,則創建
>>> os.close(f)

3.3 修改操作

  • open/write/close :寫入文件內容
  • rename ,renames : 與前面介紹的修改名稱、移動操作一致。
>>> f = os.open("test/test.txt", os.O_RDWR|os.O_CREAT)     # 打開文件
>>> os.write(f,b"test write data")                         # 寫入內容
15
>>> os.close(f)                                   # 關閉文件

3.4 刪除

  • remove :刪除文件,注意不能刪除目錄(使用 rmdir/removedirs)
>>> os.remove("test/test-1")       # 刪除目錄報錯
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
FileNotFoundError: [WinError 2] 系統找不到指定的文件。: 'test/test1'
>>> os.remove("test/test.txt")     # 刪除文件
>>> os.listdir("test")
['test-1']

4 路徑操作

在使用文件或目錄過程中,經常需要對文件及目錄路徑進行處理,因此,os 中有一個子模塊 path,專門就是處理路徑操作的。主要有以下操作:

  • abspath :返回絕對路徑
>>> os.path.abspath("test")
'E:\\pythontest\\test'
  • exists :判斷文件或目錄是否存在
>>> os.path.exists("test")
True
>>> os.path.exists("test/test.txt")
False
>>> os.path.exists("test/test-1/test-1.txt")
True
  • isfile/isdir :判斷是否為文件/目錄
>>> os.path.isdir("test")
True
>>> os.path.isfile("test/test-1/test-1.txt")
True
  • basename/dirname:獲取路徑尾部和路徑頭部。其實就是以路徑中最後一個 / 為分割符,分為頭(head) 和尾(tail)兩部分,tail 是 basename 返回的內容,head 是 dirname 返回的內容。經常用於獲取文件名,目錄名等操作
>>> os.path.basename("test/test-1/test-1.txt")   # 文件名
'test-1.txt'
>>> os.path.basename("test/test-1/")     # 空內容
''
>>> os.path.basename("test/test-1")      # 目錄名
'test-1'
>>> os.path.dirname("test/test-1/test-1.txt")   # 文件所在目錄路徑
'test/test-1'
>>> os.path.dirname("test/test-1/")   # 目錄路徑
'test/test-1'
>>> os.path.dirname("test/test-1")   # 父目錄路徑
'test'
  • join :合成路徑,即把兩個參數使用系統路徑分割符進行連接,形成完整路徑。
>>> os.path.join("test","test-1")   # 連接兩個目錄
'test\\test-1'
>>> os.path.join("test\\test-1","test-1.txt")   # 連接目錄與文件名
'test\\test-1\\test-1.txt'
  • split :分割文件名和文件夾,即把 path 以最後一個斜線”/”為分隔符,切割為 head 和 tail ,以 (head, tail) 元組的形勢返回。
>>> os.path.split("test/test-1")     # 分割目錄
('test', 'test-1')
>>> os.path.split("test/test-1/")    # 以/結尾的目錄分割
('test/test-1', '')
>>> os.path.split("test/test-1/test-1.txt")  # 分割文件
('test/test-1', 'test-1.txt')
  • splitext :分割路徑名和文件擴展名,把path 以最後一個擴展名分隔符“.”分割,切割為 head 和 tail ,以 (head, tail) 元組的形勢返回。注意與 split 的區別是分隔符的不同。
>>> os.path.splitext("test/test-1")  
('test/test-1', '')
>>> os.path.splitext("test/test-1/") 
('test/test-1/', '')
>>> os.path.splitext("test/test-1/test-1.txt")  # 區分文件名及擴展名
('test/test-1/test-1', '.txt')
>>> os.path.splitext("test/test-1/test-1.txt.tmp") # 以最後的"."為分割點
('test/test-1/test-1.txt', '.tmp')

5 示例應用

下面以一些平時使用到的場景,對前面的操作函數進行綜合使用。

5.1 批量修改文件名

def batch_rename(dir_path):
    itemlist = os.listdir(dir_path)
    # 獲取目錄文件列表
    for item in itemlist:
        # 連接成完整路徑
        item_path = os.path.join(dir_path, item)
        print(item_path)
        # 修改文件名
        if os.path.isfile(item_path):
            splitext = os.path.splitext(item_path)
            os.rename(item_path, splitext[0] + "-副本" + splitext[1])

5.2 遍歷目錄及子目錄下所有指定擴展名的文件


def walk_ext_file(dir_path,ext):
    # 遍歷
    for root, dirs, files in os.walk(dir_path):
        # 獲取文件名稱及路徑
        for file in files:
            file_path = os.path.join(root, file)
            file_item = os.path.splitext(file_path)
            # 輸出指定擴展名的文件路徑
            if ext == file_item[1]:
                print(file_path)

5.3 按修改時間排序指定目錄下的文件

def sort_file(dir_path):
    # 排序前
    itemlist = os.listdir(dir_path)
    print(itemlist)
    # 正向排序
    itemlist.sort(key=lambda filename: os.path.getmtime(os.path.join(dir_path, filename)))
    print(itemlist)
    # 反向排序
    itemlist.sort(key=lambda filename: os.path.getmtime(os.path.join(dir_path, filename)), reverse=True)
    print(itemlist)
    # 獲取最新修改的文件
    print(itemlist[0])

6 總結

在需要對文件或者目錄進行操作時,python 是一個簡單快速選擇。本文通過 python 的標準內置 os 模塊及子模塊 os.path 的常用方法進行介紹,最後結合使用場景進行綜合使用。相信已經滿足大家對文件及目錄操作的大部分需求。

參考資料

  • python之os模塊:https://www.cnblogs.com/yufeihlf/p/6179547.html
  • Python OS 文件/目錄方法: https://www.runoob.com/python/os-file-methods.html
  • Python os.path() 模塊: https://www.runoob.com/python/python-os-path.html

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前言

在計算機編程中,單元測試是一種軟件測試方法,通過該方法可以測試源代碼的各個單元功能是否適合使用。為代碼編寫單元測試有很多好處,包括可以及早的發現代碼錯誤,促進更改,簡化集成,方便代碼重構以及許多其它功能。使用 Java 語言的朋友應該用過或者聽過 Junit 就是用來做單元測試的,那麼為什麼我們還需要 Mockito 測試框架呢?想象一下這樣的一個常見的場景,當前要測試的類依賴於其它一些類對象時,如果用 Junit 來進行單元測試的話,我們就必須手動創建出這些依賴的對象,這其實是個比較麻煩的工作,此時就可以使用 Mockito 測試框架來模擬那些依賴的類,這些被模擬的對象在測試中充當真實對象的虛擬對象或克隆對象,而且 Mockito 同時也提供了方便的測試行為驗證。這樣就可以讓我們更多地去關注當前測試類的邏輯,而不是它所依賴的對象。

生成 Mock 對象方式

要使用 Mockito,首先需要在我們的項目中引入 Mockito 測試框架依賴,基於 Maven 構建的項目引入如下依賴即可:

<dependency>
    <groupId>org.mockito</groupId>
    <artifactId>mockito-core</artifactId>
    <version>3.3.3</version>
    <scope>test</scope>
</dependency>

如果是基於 Gradle 構建的項目,則引入如下依賴:

testCompile group: 'org.mockito', name: 'mockito-core', version: '3.3.3'

使用 Mockito 通常有兩種常見的方式來創建 Mock 對象。

1、使用 Mockito.mock(clazz) 方式

通過 Mockito 類的靜態方法 mock 來創建 Mock 對象,例如以下創建了一個 List 類型的 Mock 對象:

List<String> mockList = Mockito.mock(ArrayList.class);

由於 mock 方法是一個靜態方法,所以通常會寫成靜態導入方法的方式,即 List mockList = mock(ArrayList.class)。

2、使用 @Mock 註解方式

第二種方式就是使用 @Mock 註解方式來創建 Mock 對象,使用該方式創需要注意的是要在運行測試方法前使用 MockitoAnnotations.initMocks(this) 或者單元測試類上加上 @ExtendWith(MockitoExtension.class) 註解,如下所示代碼創建了一個 List 類型的 Mock 對象(PS: @BeforeEach 是 Junit 5 的註解,功能類似於 Junit 4 的 @Before 註解。):

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
//@ExtendWith(MockitoExtension.class)
public class MockitoTest {

  @Mock
  private List<String> mockList;

  @BeforeEach
  public void beforeEach() {
    MockitoAnnotations.initMocks(this);
  }
}

驗證性測試

Mockito 測試框架中提供了 Mockito.verify 靜態方法讓我們可以方便的進行驗證性測試,比如方法調用驗證、方法調用次數驗證、方法調用順序驗證等,下面看看具體的代碼。

驗證方法單次調用

驗證方法單次調用的話直接 verify 方法后加上待驗證調用方法即可,以下代碼的功能就是驗證 mockList 對象的 size 方法被調用一次。

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-28
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
@ExtendWith(MockitoExtension.class)
public class MockitoVerifyTest {

  @Mock
  List<String> mockList;

  @Test
  void verify_SimpleInvocationOnMock() {
    mockList.size();
    verify(mockList).size();
  }
}
驗證方法調用指定次數

除了驗證單次調用,我們有時候還需要驗證一些方法被調用多次或者指定的次數,那麼此時就可以使用 verify + times 方法來驗證方法調用指定次數,同時還可以結合 atLeast + atMost 方法來提供調用次數範圍,同時還有 never 等方法驗證不被調用等。

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-28
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
@ExtendWith(MockitoExtension.class)
public class MockitoVerifyTest {

  @Mock
  List<String> mockList;

  @Test
  void verify_NumberOfInteractionsWithMock() {
    mockList.size();
    mockList.size();

    verify(mockList, times(2)).size();
    verify(mockList, atLeast(1)).size();
    verify(mockList, atMost(10)).size();
  }
}
驗證方法調用順序

同時還可以使用 inOrder 方法來驗證方法的調用順序,下面示例驗證 mockList 對象的 size、add 和 clear 方法的調用順序。

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-28
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
@ExtendWith(MockitoExtension.class)
public class MockitoVerifyTest {

  @Mock
  List<String> mockList;

  @Test
  void verify_OrderedInvocationsOnMock() {
    mockList.size();
    mockList.add("add a parameter");
    mockList.clear();

    InOrder inOrder = inOrder(mockList);

    inOrder.verify(mockList).size();
    inOrder.verify(mockList).add("add a parameter");
    inOrder.verify(mockList).clear();
  }
}

以上只是列舉了一些簡單的驗證性測試,還有驗證測試方法調用超時以及更多的驗證測試可以通過相關官方文檔探索學習。

驗證方法異常

異常測試我們需要使用 Mockito 框架提供的一些調用行為定義,Mockito 提供了 when(…).thenXXX(…) 來讓我們定義方法調用行為,以下代碼定義了當調用 mockMap 的 get 方法無論傳入任何參數都會拋出一個空指針 NullPointerException 異常,然後通過 Assertions.assertThrows 來驗證調用結果。

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
@ExtendWith(MockitoExtension.class)
public class MockitoExceptionTest {

  @Mock
  public Map<String, Integer> mockMap;

  @Test
  public void whenConfigNonVoidReturnMethodToThrowEx_thenExIsThrown() {
    when(mockMap.get(anyString())).thenThrow(NullPointerException.class);

    assertThrows(NullPointerException.class, () -> mockMap.get("mghio"));
  }
}

同時 when(…).thenXXX(…) 不僅可以定義方法調用拋出異常,還可以定義調用方法后的返回結果,比如 when(mockMap.get(“mghio”)).thenReturn(21); 定義了當我們調用 mockMap 的 get 方法並傳入參數 mghio 時的返回結果是 21。這裡有一點需要注意,使用以上這種方式定義的 mock 對象測試實際並不會影響到對象的內部狀態,如下圖所示:

雖然我們已經在 mockList 對象上調用了 add 方法,但是實際上 mockList 集合中並沒有加入 mghio,這時候如果需要對 mock 對象有影響,那麼需要使用 spy 方式來生成 mock 對象。

public class MockitoTest {

  private List<String> mockList = spy(ArrayList.class);

  @Test
  public void add_spyMockList_thenAffect() {
    mockList.add("mghio");

    assertEquals(0, mockList.size());
  }
}

斷點后可以發現當使用 spy 方法創建出來的 mock 對象調用 add 方法后,mghio 被成功的加入到 mockList 集合當中。

與 Spring 框架集成

Mockito 框架提供了 @MockBean 註解用來將 mock 對象注入到 Spring 容器中,該對象會替換容器中任何現有的相同類型的 bean,該註解在需要模擬特定bean(例如外部服務)的測試場景中很有用。如果使用的是 Spring Boot 2.0+ 並且當前容器中已有相同類型的 bean 的時候,需要設置 spring.main.allow-bean-definition-overriding 為 true(默認為 false)允許 bean 定義覆蓋。下面假設要測試通過用戶編碼查詢用戶的信息,有一個數據庫操作層的 UserRepository,也就是我們等下要 mock 的對象,定義如下:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
@Repository
public interface UserRepository {

  User findUserById(Long id);

}

還有用戶操作的相關服務 UserService 類,其定義如下所示:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
@Service
public class UserService {

  private UserRepository userRepository;

  public UserService(UserRepository userRepository) {
    this.userRepository = userRepository;
  }

  public User findUserById(Long id) {
    return userRepository.findUserById(id);
  }
}

在測試類中使用 @MockBean 來標註 UserRepository 屬性表示這個類型的 bean 使用的是 mock 對象,使用 @Autowired 標註表示 UserService 屬性使用的是 Spring 容器中的對象,然後使用 @SpringBootTest 啟用 Spring 環境即可。

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
@SpringBootTest
public class UserServiceUnitTest {

  @Autowired
  private UserService userService;

  @MockBean
  private UserRepository userRepository;

  @Test
  public void whenUserIdIsProvided_thenRetrievedNameIsCorrect() {
    User expectedUser = new User(9527L, "mghio", "18288888880");
    when(userRepository.findUserById(9527L)).thenReturn(expectedUser);
    User actualUser = userService.findUserById(9527L);
    assertEquals(expectedUser, actualUser);
  }
}

Mockito 框架的工作原理

通過以上介紹可以發現, Mockito 非常容易使用並且可以方便的驗證一些方法的行為,相信你已經看出來了,使用的步驟是先創建一個需要 mock 的對象 Target ,該對象如下:

public class Target {

  public String foo(String name) {
    return String.format("Hello, %s", name);
  }

}

然後我們直接使用 Mockito.mock 方法和 when(…).thenReturn(…) 來生成 mock 對象並指定方法調用時的行為,代碼如下:

@Test
public void test_foo() {
  String expectedResult = "Mocked mghio";
  when(mockTarget.foo("mghio")).thenReturn(expectedResult);
  String actualResult = mockTarget.foo("mghio");
  assertEquals(expectedResult, actualResult);
}

仔細觀察以上 when(mockTarget.foo(“mghio”)).thenReturn(expectedResult) 這行代碼,首次使用我也覺得很奇怪,when 方法的入參竟然是方法的返回值 mockTarget.foo(“mghio”),覺得正確的代碼應該是這樣 when(mockTarget).foo(“mghio”),但是這個寫法實際上無法進行編譯。既然 Target.foo 方法的返回值是 String 類型,那是不是可以使用如下方式呢?

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Mockito.when("Hello, I am mghio").thenReturn("Mocked mghio");

結果是編譯通過,但是在運行時報錯:

從錯誤提示可以看出,when 方法需要一個方法調用的參數,實際上它只需要 more 對象方法調用在 when 方法之前就行,我們看看下面這個測試代碼:

@Test
public void test_mockitoWhenMethod() {
  String expectedResult = "Mocked mghio";
  mockTarget.foo("mghio");
  when("Hello, I am mghio").thenReturn(expectedResult);
  String actualResult = mockTarget.foo("mghio");
  assertEquals(expectedResult, actualResult);
}

以上代碼可以正常測試通過,結果如下:

為什麼這樣就可以正常測試通過?是因為當我們調用 mock 對象的 foo 方法時,Mockito 會攔截方法的調用然後將方法調用的詳細信息保存到 mock 對象的上下文中,當調用到 Mockito.when 方法時,實際上是從該上下文中獲取最後一個註冊的方法調用,然後把 thenReturn 的參數作為其返回值保存,然後當我們的再次調用 mock 對象的該方法時,之前已經記錄的方法行為將被再次回放,該方法觸發攔截器重新調用並且返回我們在 thenReturn 方法指定的返回值。以下是 Mockito.when 方法的源碼:

該方法裏面直接使用了 MockitoCore.when 方法,繼續跟進,該方法源碼如下:

仔細觀察可以發現,在源碼中並沒有用到參數 methodCall,而是從 MockingProgress 實例中獲取 OngoingStubbing 對象,這個 OngoingStubbing 對象就是前文所提到的上下文對象。個人感覺是 Mockito 為了提供簡潔易用的 API 然後才製造了 when 方法調用的這種“幻象”,簡而言之,Mockito 框架通過方法攔截在上下文中存儲和檢索方法調用詳細信息來工作的。

如何實現一個微型的 Mock 框架

知道了 Mockito 的運行原理之後,接下來看看要如何自己去實現一個類似功能的 mock 框架出來,看到方法攔截這裏我相信你已經知道了,其實這就是 AOP 啊,但是通過閱讀其源碼發現 Mockito 其實並沒有使用我們熟悉的 Spring AOP 或者 AspectJ 做的方法攔截,而是通過運行時增強庫 Byte Buddy 和反射工具庫 Objenesis 生成和初始化 mock 對象的。
現在,通過以上分析和源碼閱讀可以定義出一個簡單版本的 mock 框架了,將自定義的 mock 框架命名為 imock。這裡有一點需要注意的是,Mockito 有一個好處是,它不需要進行初始化,可以直接通過其提供的靜態方法來立即使用它。在這裏我們也使用相同名稱的靜態方法,通過 Mockito 源碼:

很容易看出 Mockito 類最終都是委託給 MockitoCore 去實現的功能,而其只提供了一些面向使用者易用的靜態方法,在這裏我們也定義一個這樣的代理對象 IMockCore,這個類中需要一個創建 mock 對象的方法 mock 和一個給方法設定返回值的 thenReturn 方法,同時該類中持有一個方法調用詳情 InvocationDetail 集合列表,這個類是用來記錄方法調用詳細信息的,然後 when 方法僅返回列表中的最後一個 InvocationDetail,這裏列表可以直接使用 Java 中常用的 ArrayList 即可,這裏的 ArrayList 集合列表就實現了 Mockito 中的 OngoingStubbing 的功能。
根據方法的三要素方法名、方法參數和方法返回值很容易就可以寫出 InvocationDetail 類的代碼,為了對方法在不同類有同名的情況區分,還需要加上類全稱字段和重寫該類的 equals 和 hashCode 方法(判斷是否在調用方法集合列表時需要根據該方法判斷),代碼如下所示:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
public class InvocationDetail<T> {

  private String attachedClassName;

  private String methodName;

  private Object[] arguments;

  private T result;

  public InvocationDetail(String attachedClassName, String methodName, Object[] arguments) {
    this.attachedClassName = attachedClassName;
    this.methodName = methodName;
    this.arguments = arguments;
  }

  public void thenReturn(T t) {
    this.result = t;
  }

  public T getResult() {
    return result;
  }

  @Override
  public boolean equals(Object o) {
    if (this == o) return true;
    if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
    InvocationDetail<?> behaviour = (InvocationDetail<?>) o;
    return Objects.equals(attachedClassName, behaviour.attachedClassName) &&
        Objects.equals(methodName, behaviour.methodName) &&
        Arrays.equals(arguments, behaviour.arguments);
  }

  @Override
  public int hashCode() {
    int result = Objects.hash(attachedClassName, methodName);
    result = 31 * result + Arrays.hashCode(arguments);
    return result;
  }
}

接下來就是如何去創建我們的 mock 對象了,在這裏我們也使用 Byte Buddy 和 Objenesis 庫來創建 mock 對象,IMockCreator 接口定義如下:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
public interface IMockCreator {

  <T> T createMock(Class<T> mockTargetClass, List<InvocationDetail> behaviorList);

}

實現類 ByteBuddyIMockCreator 使用 Byte Buddy 庫在運行時動態生成 mock 類對象代碼然後使用 Objenesis 去實例化該對象。代碼如下:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
public class ByteBuddyIMockCreator implements IMockCreator {

  private final ObjenesisStd objenesisStd = new ObjenesisStd();

  @Override
  public <T> T createMock(Class<T> mockTargetClass, List<InvocationDetail> behaviorList) {
    ByteBuddy byteBuddy = new ByteBuddy();

    Class<? extends T> classWithInterceptor = byteBuddy.subclass(mockTargetClass)
        .method(ElementMatchers.any())
        .intercept(MethodDelegation.to(InterceptorDelegate.class))
        .defineField("interceptor", IMockInterceptor.class, Modifier.PRIVATE)
        .implement(IMockIntercepable.class)
        .intercept(FieldAccessor.ofBeanProperty())
        .make()
        .load(getClass().getClassLoader(), Default.WRAPPER).getLoaded();

    T mockTargetInstance = objenesisStd.newInstance(classWithInterceptor);
    ((IMockIntercepable) mockTargetInstance).setInterceptor(new IMockInterceptor(behaviorList));

    return mockTargetInstance;
  }
}

基於以上分析我們可以很容易寫出創建 mock 對象的 IMockCore 類的代碼如下:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
public class IMockCore {

  private final List<InvocationDetail> invocationDetailList = new ArrayList<>(8);

  private final IMockCreator mockCreator = new ByteBuddyIMockCreator();

  public <T> T mock(Class<T> mockTargetClass) {
    T result = mockCreator.createMock(mockTargetClass, invocationDetailList);
    return result;
  }

  @SuppressWarnings("unchecked")
  public <T> InvocationDetail<T> when(T methodCall) {
    int currentSize = invocationDetailList.size();
    return (InvocationDetail<T>) invocationDetailList.get(currentSize - 1);
  }
}

提供給使用者的類 IMock 只是對 IMockCore 進行的簡單調用而已,代碼如下:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
public class IMock {

  private static final IMockCore IMOCK_CORE = new IMockCore();

  public static <T> T mock(Class<T> clazz) {
    return IMOCK_CORE.mock(clazz);
  }

  public static <T> InvocationDetail when(T methodCall) {
    return IMOCK_CORE.when(methodCall);
  }
}

通過以上步驟,我們就已經實現了一個微型的 mock 框架了,下面來個實際例子測試一下,首先創建一個 Target 對象:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
public class Target {

  public String foo(String name) {
    return String.format("Hello, %s", name);
  }

}

然後編寫其對應的測試類 IMockTest 類如下:

/**
 * @author mghio
 * @date: 2020-05-30
 * @version: 1.0
 * @description:
 * @since JDK 1.8
 */
public class IMockTest {

  @Test
  public void test_foo_method() {
    String exceptedResult = "Mocked mghio";
    Target mockTarget = IMock.mock(Target.class);

    IMock.when(mockTarget.foo("mghio")).thenReturn(exceptedResult);

    String actualResult = mockTarget.foo("mghio");

    assertEquals(exceptedResult, actualResult);
  }

}

以上測試的可以正常運行,達到了和 Mockito 測試框架一樣的效果,運行結果如下:

上面只是列出了一些關鍵類的源碼,自定義 IMock 框架的所有代碼已上傳至 Github 倉庫 imock,感興趣的朋友可以去看看。

總結

本文只是介紹了 Mockito 的一些使用方法,這隻是該框架提供的最基礎功能,更多高級的用法可以去官網閱讀相關的文檔,然後介紹了框架中 when(…).thenReturn(…) 定義行為方法的實現方式並按照其源碼思路實現了一個相同功能的簡易版的 imock 。雖然進行單元測試有很多優點,但是也不可盲目的進行單元測試,在大部分情況下只要做好對項目中邏輯比較複雜、不容易理解的核心業務模塊以及項目中公共依賴的模塊的單元測試就可以了。

參考文章

Mockito
Objenesis
Byte Buddy

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