一、操作系統(tǒng)概述

1.1 操作系統(tǒng)的定義與目標(biāo)

定義：操作系統(tǒng)是控制管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬軟件，分配調(diào)度資源的系統(tǒng)軟件。

目標(biāo)：方便性，有效性（提高系統(tǒng)資源的利用率、提高系統(tǒng)的吞吐量），可擴(kuò)充性，開(kāi)放性。

1.2 操作系統(tǒng)的基本功能

1. 統(tǒng)一管理計(jì)算機(jī)資源：處理器資源，IO設(shè)備資源，存儲(chǔ)器資源，文件資源;

2. 實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的抽象：IO設(shè)備管理軟件提供讀寫(xiě)接口，文件管理軟件提供操作文件接;

3. 提供了用戶與計(jì)算機(jī)之間的接口：GUI（圖形用戶界面），命令形式，系統(tǒng)調(diào)用形式。

1.3 操作系統(tǒng)的特征

最基本的特征，互為存在條件：并發(fā)，共享；

（1）并行：指兩個(gè)或多個(gè)事件可以在同一個(gè)時(shí)刻發(fā)生，多核CPU可以實(shí)現(xiàn)并行，一個(gè)cpu同一時(shí)刻只有一個(gè)程序在運(yùn)行；

（2）并發(fā)：指兩個(gè)或多個(gè)事件可以在同一個(gè)時(shí)間間隔發(fā)生，用戶看起來(lái)是每個(gè)程序都在運(yùn)行，實(shí)際上是每個(gè)程序都交替執(zhí)行。

（3）共享性：操作系統(tǒng)的中資源可供多個(gè)并發(fā)的程序共同使用，這種形式稱之為資源共享。

• 互斥共享：當(dāng)資源被程序占用時(shí)，其它想使用的程序只能等待。

• 同時(shí)訪問(wèn)：某種資源并發(fā)的被多個(gè)程序訪問(wèn)。

虛擬和異步特性前提是具有并發(fā)性。

（4）虛擬性：表現(xiàn)為把一個(gè)物理實(shí)體轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾蓚€(gè)邏輯實(shí)體。

• 時(shí)分復(fù)用技術(shù)：資源在時(shí)間上進(jìn)行復(fù)用，不同程序并發(fā)使用，多道程序分時(shí)使用計(jì)算機(jī)的硬件資源，提高資源的利用率。

• 空分復(fù)用技術(shù)：用來(lái)實(shí)現(xiàn)虛擬磁盤(pán)（物理磁盤(pán)虛擬為邏輯磁盤(pán)，電腦上的C盤(pán)、D盤(pán)等）、虛擬內(nèi)存（在邏輯上擴(kuò)大程序的存儲(chǔ)容量）等，提高資源的利用率，提高編程效率。

（5）異步性：在多道程序環(huán)境下，允許多個(gè)進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，但由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行以“停停走走”的方式運(yùn)行，而且每個(gè)進(jìn)程執(zhí)行的情況（運(yùn)行、暫停、速度、完成）也是未知的。

1.4 操作系統(tǒng)的中斷處理

中斷機(jī)制的作用：為了在多道批處理系統(tǒng)中讓用戶進(jìn)行交互；

中斷產(chǎn)生：

• 發(fā)生中斷時(shí)，CPU立馬切換到管態(tài)，開(kāi)展管理工作；（管態(tài)又叫特權(quán)態(tài)，系統(tǒng)態(tài)或核心態(tài)，是操作系統(tǒng)管理的程序執(zhí)行時(shí)，機(jī)器所處的狀態(tài)。）

• 發(fā)生中斷后，當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程回暫停運(yùn)行，由操作系統(tǒng)內(nèi)核對(duì)中斷進(jìn)行處理；

• 對(duì)于不同的中斷信號(hào)，會(huì)進(jìn)行不同的處理。

中斷的分類：

1. 內(nèi)中斷（也叫“異?！?、“例外”、“陷入”）------- 信號(hào)來(lái)源：CPU內(nèi)部，與當(dāng)前執(zhí)行指令有關(guān)；

2. 外中斷（中斷）----------信號(hào)來(lái)源：CPU外部，與當(dāng)前執(zhí)行指令無(wú)關(guān)。

外中斷的處理過(guò)程：

1. 每執(zhí)行完一個(gè)指令后，CPU都需要檢查當(dāng)前是否有外部中斷 信號(hào)；

2. 如果檢查到外部中斷信號(hào)，則需要保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境（如程序狀態(tài)字PSW，程序計(jì)數(shù)器PC、各種通用寄存器）把他們存儲(chǔ)在PCB（進(jìn)程控制塊中）；

3. 根據(jù)中斷信號(hào)類型轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序；

4. 恢復(fù)原進(jìn)程的CPU環(huán)境并退出中斷，返回原進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。

二、進(jìn)程管理

2.1 進(jìn)程管理之進(jìn)程實(shí)體

為什么需要進(jìn)程：

1. 進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位；

2. 進(jìn)程作為程序獨(dú)立運(yùn)行的載體保障程序正常執(zhí)行；

3. 進(jìn)程的存在使得操作系統(tǒng)資源的利用率大幅提升。

進(jìn)程控制塊（PCB）：用于描述和控制進(jìn)程運(yùn)行的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),記錄進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)和控制進(jìn)程運(yùn)行的全部信息，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識(shí)。

進(jìn)程（Process）與線程（Thread）：

• 線程：操作系統(tǒng)進(jìn)行**運(yùn)行調(diào)度的最小單位**。

• 進(jìn)程：系統(tǒng)進(jìn)行**資源分配和調(diào)度的基本單位**。

區(qū)別與聯(lián)系：

1. 一個(gè)進(jìn)程可以有一個(gè)或多個(gè)線程；

2. 線程包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中實(shí)際運(yùn)行工作的單位；

3. 進(jìn)程的線程共享進(jìn)程資源；

4. 一個(gè)進(jìn)程可以并發(fā)多個(gè)線程，每個(gè)線程執(zhí)行不同的任務(wù)。

2.2 進(jìn)程管理之五狀態(tài)模型

就緒狀態(tài)：其它資源（進(jìn)程控制塊、內(nèi)存、?？臻g、堆空間等）都準(zhǔn)備好、只差CPU的狀態(tài)。

執(zhí)行狀態(tài)：進(jìn)程獲得CPU，其程序正在執(zhí)行。

阻塞狀態(tài)：進(jìn)程因某種原因放棄CPU的狀態(tài)，阻塞進(jìn)程以隊(duì)列的形式放置。

創(chuàng)建狀態(tài)：創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)擁有PCB但其它資源尚未就緒。

終止?fàn)顟B(tài)：進(jìn)程結(jié)束由系統(tǒng)清理或者歸還PCB的狀態(tài)。

2.3 進(jìn)程管理之進(jìn)程同步

生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題：有一群生產(chǎn)者進(jìn)程在生產(chǎn)產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品提供給消費(fèi)者進(jìn)程進(jìn)行消費(fèi)，生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程可以并發(fā)執(zhí)行，在兩者之間設(shè)置了一個(gè)具有n個(gè)緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者進(jìn)程需要將所生產(chǎn)的產(chǎn)品放到緩沖區(qū)中（+1操作），消費(fèi)者進(jìn)程可以從緩沖區(qū)取走產(chǎn)品消費(fèi)（-1操作）。

產(chǎn)生問(wèn)題：當(dāng)兩者并發(fā)執(zhí)行時(shí)可能出差錯(cuò)，導(dǎo)致預(yù)期的結(jié)果與真實(shí)的結(jié)果不相符：當(dāng)執(zhí)行生產(chǎn)者+1和消費(fèi)者-1操作之后，緩沖區(qū)的值從10變?yōu)榱?1。

哲學(xué)家進(jìn)餐問(wèn)題：有5個(gè)哲學(xué)家，他們的生活方式是交替的思考和進(jìn)餐，哲學(xué)家們共同使用一張圓桌，分別坐在5張椅子上，圓桌上有5只碗和5只筷子。平時(shí)哲學(xué)家們只進(jìn)行思考，饑餓時(shí)則試圖取靠近他們的左右兩只筷子，只有兩只筷子都被拿到的時(shí)候才能進(jìn)餐，否則等待，進(jìn)餐完畢后，放下左右筷子進(jìn)行思考。

這會(huì)導(dǎo)致以下的問(wèn)題，筷子就相當(dāng)于臨界資源：

臨界資源指的是一些雖作為共享資源卻又無(wú)法同時(shí)被多個(gè)線程共同訪問(wèn)的共享資源。當(dāng)有進(jìn)程在使用臨界資源時(shí)，其他進(jìn)程必須依據(jù)操作系統(tǒng)的同步機(jī)制等待占用進(jìn)程釋放該共享資源才可重新競(jìng)爭(zhēng)使用共享資源。

進(jìn)程同步的作用：對(duì)競(jìng)爭(zhēng)資源在多進(jìn)程間進(jìn)行使用次序的協(xié)調(diào)，使得并發(fā)執(zhí)行的多個(gè)進(jìn)程之間可以有效使用資源和相互合作。

進(jìn)程間同步的四原則：

1. 空閑讓進(jìn)：資源無(wú)占用，允許使用；

2. 忙則等待：資源被占用，請(qǐng)求進(jìn)程等待；

3. 有限等待：保證有限等待時(shí)間能夠使用資源；

4. 讓權(quán)等待：等待時(shí)，進(jìn)程需要讓出CPU。

2.3.1進(jìn)程同步的方法（重要）

1.使用fork系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進(jìn)程：使用fork系統(tǒng)調(diào)用無(wú)參數(shù)，fork會(huì)返回兩次，分別返回子進(jìn)程id和0，返回子進(jìn)程id的是父進(jìn)程，返回0的是子進(jìn)程。

• fork系統(tǒng)調(diào)用是用于創(chuàng)建進(jìn)程的；

• fork創(chuàng)建的進(jìn)程初始化狀態(tài)與父進(jìn)程一樣；

• 系統(tǒng)會(huì)為fork的進(jìn)程分配新的資源

2.共享內(nèi)存：在某種程度上，多進(jìn)程是共同使用物理內(nèi)存的，但是由于操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理，進(jìn)程間的內(nèi)存空間是獨(dú)立的，因此進(jìn)程默認(rèn)是不能訪問(wèn)進(jìn)程空間之外的內(nèi)存空間的。

• 共享存儲(chǔ)允許不相關(guān)的進(jìn)程訪問(wèn)同一片物理內(nèi)存；

• 共享內(nèi)存是兩個(gè)進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)最快的方式；

• 共享內(nèi)存未提供同步機(jī)制，需要借助其他機(jī)制管理訪問(wèn)；

3.Unix域套接字

域套接字是一種高級(jí)的進(jìn)程間通信的方法，可以用于同一機(jī)器進(jìn)程間通信。

套接字（socket）：為網(wǎng)絡(luò)通信中使用的術(shù)語(yǔ)。

Unix系統(tǒng)提供的域套接字提供了網(wǎng)絡(luò)套接字類似的功能，如Nfinx、uWSGI等。

服務(wù)端和客戶端分別使用Unix域套接字的過(guò)程：

2.3.2 線程同步的方法（重要）

線程同步的方法：

1.互斥鎖：互斥鎖是最簡(jiǎn)單的線程同步的方法，也稱為互斥量，處于兩態(tài)之一的變量：解鎖和加鎖，兩個(gè)狀態(tài)可以保證資源訪問(wèn)的串行。原子性：指一系列操作不可被中斷的特性，要么全部執(zhí)行完成，要么全部沒(méi)有執(zhí)行。

2.自旋鎖：自旋鎖是一種多線程同步的變量，使用自旋鎖的線程會(huì)反復(fù)檢查鎖變量是否可用，自旋鎖不會(huì)讓出CPU，是一種忙等待狀態(tài)，即死循環(huán)等待鎖被釋放，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。特點(diǎn)：避免了進(jìn)程或者線程上下文切換的開(kāi)銷，但是不適合在單核CPU使用。

3.讀寫(xiě)鎖：是一種特殊的自旋鎖，允許多個(gè)讀操作同時(shí)訪問(wèn)資源以提高讀性能，但是對(duì)寫(xiě)操作是互斥的，即**對(duì)多讀少寫(xiě)的操作效率提升**很顯著。

4.條件變量：是一種相對(duì)比較復(fù)雜的線程同步方法，條件變量允許線程睡眠，直到滿足某種條件，當(dāng)**滿足條件時(shí)，可以給該線程信號(hào)通知喚醒**。

2.3.3 線程同步方法對(duì)比（重要）

2.4 Linux的進(jìn)程管理

進(jìn)程的類型：

1. 前臺(tái)進(jìn)程：具有終端，可以和用戶交互；

2. 后臺(tái)進(jìn)程：沒(méi)有占用終端，基本不和用戶交互，優(yōu)先級(jí)比前臺(tái)進(jìn)程低（將需要執(zhí)行的命令以“&”符號(hào)結(jié)束）；

3. 守護(hù)進(jìn)程：特殊的后臺(tái)進(jìn)程，在系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)啟動(dòng)，一直運(yùn)行直到系統(tǒng)關(guān)閉（進(jìn)程名字以“d”結(jié)尾的一般都是守護(hù)進(jìn)程），如crond、sshd、httpd、mysqld…

進(jìn)程的標(biāo)記：

1. 進(jìn)程ID：非負(fù)整數(shù)，進(jìn)程的唯一標(biāo)記，每個(gè)進(jìn)程擁有不同的ID；

2. 進(jìn)程的狀態(tài)標(biāo)記：R表示進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)，S表示進(jìn)程處于睡眠狀態(tài)…

操作Linux進(jìn)程的相關(guān)命令：

1. ps命令：列出當(dāng)前的進(jìn)程，結(jié)合-aux可以打印進(jìn)程的詳細(xì)信息（ps -aux）；

2. top命令：查看所有進(jìn)程的狀態(tài)；

3. kill命令：給進(jìn)程發(fā)送信號(hào)。

三、作業(yè)管理

3.1 作業(yè)管理之進(jìn)程調(diào)度

定義：指計(jì)算機(jī)通過(guò)決策決定哪個(gè)就緒進(jìn)程可以獲得CPU使用權(quán)。

什么時(shí)候需要進(jìn)程調(diào)度？

1. 主動(dòng)放棄：進(jìn)程正常終止；運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生異常而終止；主動(dòng)阻塞（如等待I/O）；

2. 被動(dòng)放棄：分給進(jìn)程的時(shí)間片用完；有更高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程進(jìn)入就緒隊(duì)列；有更緊急的事情需要處理（如I/O中斷）；

進(jìn)程調(diào)度方式：

非搶占式調(diào)度：只能由當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程主動(dòng)放棄CPU；

• 處理器一旦分配給某個(gè)進(jìn)程，就讓該進(jìn)程一直使用下去；

• 調(diào)度程序不以任何原因搶占正在被使用的處理器；

• 調(diào)度程序不以任何原因搶占正在被使用的處理器；

搶占式調(diào)度：可由操作系統(tǒng)剝奪當(dāng)前進(jìn)程的CPU使用權(quán)。

• 允許調(diào)度程序以一定的策略暫停當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程；

• 保存好舊進(jìn)程的上下文信息，分配處理器給新進(jìn)程；

進(jìn)程調(diào)度的三大機(jī)制：

就緒隊(duì)列的排隊(duì)機(jī)制：為了提高進(jìn)程調(diào)度的效率，將就緒進(jìn)程按照一定的方式排成隊(duì)列，以便調(diào)度程序可以最快找到就緒進(jìn)程。

選擇運(yùn)行進(jìn)程的委派機(jī)制：調(diào)度程序以一定的策略，選擇就緒進(jìn)程，將CPU資源分配給它。

新老進(jìn)程的上下文切換機(jī)制：保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文信息，裝入被委派執(zhí)行進(jìn)程的運(yùn)行上下文。

進(jìn)程調(diào)度算法：

1. 先來(lái)先服務(wù)算法：按照在就緒隊(duì)列中的先后順序執(zhí)行。

2. 短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度算法：優(yōu)先選擇就緒隊(duì)列中估計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的進(jìn)程，不利于長(zhǎng)作業(yè)進(jìn)程的執(zhí)行。

3. 高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法：進(jìn)程附帶優(yōu)先權(quán)，優(yōu)先選擇權(quán)重高的進(jìn)程，可以使得緊迫的任務(wù)優(yōu)先處理。

4. 時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法：按照FIFO的原則排列就緒進(jìn)程，每次從隊(duì)列頭部取出待執(zhí)行進(jìn)程，分配一個(gè)時(shí)間片執(zhí)行，是相對(duì)公平的調(diào)度算法，但是不能保證就是響應(yīng)用戶。

3.2 作業(yè)管理之死鎖

3.2.1 進(jìn)程死鎖、饑餓、死循環(huán)的區(qū)別：

死鎖：兩個(gè)或兩個(gè)以上的進(jìn)程在執(zhí)行過(guò)程中，由于競(jìng)爭(zhēng)資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現(xiàn)象，若無(wú)外力作用，它們都將無(wú)法推進(jìn)下去。永遠(yuǎn)在互相等待的進(jìn)程稱為死鎖進(jìn)程。

饑餓：由于長(zhǎng)期得不到資源導(dǎo)致進(jìn)程無(wú)法推進(jìn)；

死循環(huán)：代碼邏輯BUG。

死鎖的產(chǎn)生：競(jìng)爭(zhēng)資源（共享資源數(shù)量不滿足各進(jìn)程需求）、進(jìn)程調(diào)度順序不當(dāng)，當(dāng)調(diào)度順序?yàn)锳->B->C->D時(shí)會(huì)產(chǎn)生死鎖，但改為A->D->B->C則不會(huì)產(chǎn)生。

死鎖的四個(gè)必要條件：

1. 互斥條件：必須互斥使用資源才會(huì)產(chǎn)生死鎖；

2. 請(qǐng)求保持條件：進(jìn)程至少保持一個(gè)資源，又提出新的資源請(qǐng)求，新資源被占用，請(qǐng)求被阻塞，被阻塞的進(jìn)程不釋放自己保持的資源；

3. 不可剝奪條件：進(jìn)程獲得的資源在未完成使用前不能被剝奪（包括OS），只能由進(jìn)程自身釋放；

4. 環(huán)路等待條件：發(fā)生死鎖時(shí)，必然存在進(jìn)程-資源環(huán)形鏈,環(huán)路等待不一定造成死鎖，但是死鎖一定有循環(huán)等待。

死鎖的處理策略：

一.預(yù)防死鎖的方法：破壞四個(gè)必要條件的中一個(gè)或多個(gè)。

1. 破壞互斥條件：將臨界資源改造成共享資源（Spooling池化技術(shù)）；（可行性不高，很多時(shí)候無(wú)法破壞互斥條件）

2. 破壞請(qǐng)求保持條件：系統(tǒng)規(guī)定進(jìn)程運(yùn)行之前，一次性申請(qǐng)所有需要的資源；（資源利用率低，可能導(dǎo)致別的線程饑餓）

3. 破壞不可剝奪條件：當(dāng)一個(gè)進(jìn)程請(qǐng)求新的資源得不到滿足時(shí)，必須釋放占有的資源；（實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，剝奪資源可能導(dǎo)致部分工作失效，反復(fù)申請(qǐng)和釋放造成額外的系統(tǒng)開(kāi)銷）

4. 破壞環(huán)路等待條件：可用資源線性排序，申請(qǐng)必須按照需要遞增申請(qǐng)；（進(jìn)程實(shí)際使用資源順序和編號(hào)順序不同，會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)）

二.銀行家算法：檢查當(dāng)前資源剩余是否可以滿足某個(gè)進(jìn)程的最大需求；如果可以，就把該進(jìn)程加入安全序列，等待進(jìn)程允許完成，回收所有資源；重復(fù)1，2，直到當(dāng)前沒(méi)有線程等待資源；

三.死鎖的檢測(cè)和解除：死鎖檢測(cè)算法，資源剝奪法，撤銷進(jìn)程法（終止進(jìn)程法），進(jìn)程回退法；

四、存儲(chǔ)管理

存儲(chǔ)管理為了確保計(jì)算機(jī)有足夠的內(nèi)存處理數(shù)據(jù)；確保程序可以從可用內(nèi)存中獲取一部分內(nèi)存使用；確保程序可以歸還使用后的內(nèi)存以供其他程序使用。

4.1 存儲(chǔ)管理之內(nèi)存分配與回收

內(nèi)存分配的過(guò)程：?jiǎn)我贿B續(xù)分配（已經(jīng)過(guò)時(shí)）、固定分區(qū)分配、動(dòng)態(tài)分區(qū)分配（根據(jù)實(shí)際需要，動(dòng)態(tài)的分配內(nèi)存）。 動(dòng)態(tài)分區(qū)分配算法：

1. 首次適應(yīng)算法：分配內(nèi)存時(shí)，從開(kāi)始順序查找適合內(nèi)存區(qū)，若無(wú)合適內(nèi)存區(qū)，則分配失敗，每次從頭部開(kāi)始，使得頭部地址空間不斷被劃分；

2. 最佳適應(yīng)算法：要求空閑區(qū)鏈表按照容量大小排序，遍歷以找到最佳適合的空閑區(qū)（會(huì)留下越來(lái)越多的內(nèi)部碎片）。

3. 快速適應(yīng)算法：要求有多個(gè)空閑區(qū)鏈表，每個(gè)空閑區(qū)鏈表存儲(chǔ)一種容量的空閑區(qū)。

內(nèi)存回收的過(guò)程：

1. 回收區(qū)在空閑區(qū)下方：不需要新建空閑鏈表節(jié)點(diǎn)；只需要把空閑區(qū)1的容量增大即可；

2. 回收區(qū)在空閑區(qū)上方：將回收區(qū)與空閑區(qū)合并；新的空閑區(qū)使用回收區(qū)的地址；

3. 回收區(qū)在空閑區(qū)中間方：將空閑區(qū)1、空閑區(qū)2和回收區(qū)合并；新的空閑區(qū)使用空閑區(qū)1的地址；

4. 僅僅剩余回收區(qū)：為回收區(qū)創(chuàng)建新的空閑節(jié)點(diǎn)；插入到相應(yīng)的空閑區(qū)鏈表中去；

4.2 存儲(chǔ)管理之段頁(yè)式存儲(chǔ)管理

頁(yè)式存儲(chǔ)管理：將進(jìn)程邏輯空間等分成若干大小的頁(yè)面，相應(yīng)的把物理內(nèi)存空間分成與頁(yè)面大小的物理塊，以頁(yè)面為單位把進(jìn)程空間裝進(jìn)物理內(nèi)存中分散的物理塊。

頁(yè)面大小應(yīng)該適中，過(guò)大難以分配，過(guò)小內(nèi)存碎片過(guò)多；頁(yè)面大小通常是512B~8K；

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，可以支持非常大的邏輯地址空間(232~264)，具有32位邏輯地址空間的分頁(yè)系統(tǒng)，規(guī)定頁(yè)面大小為4KB，則在每個(gè)進(jìn)程頁(yè)表中的頁(yè)表項(xiàng)可達(dá)1M(2個(gè)20)個(gè)，如果每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)占用1Byte，故每個(gè)進(jìn)程僅僅頁(yè)表就要占用1MB的內(nèi)存空間。

段式存儲(chǔ)管理：將進(jìn)程邏輯空間分成若干段（不等分），段的長(zhǎng)度由連續(xù)邏輯的長(zhǎng)度決定。

頁(yè)式和者段式存儲(chǔ)管理相比：

1. 段式存儲(chǔ)和頁(yè)式存儲(chǔ)都離散地管理了進(jìn)程的邏輯空間；

2. 頁(yè)是物理單位，段是邏輯單位；

3. 分頁(yè)是為了合理利用空間，分段是滿足用戶要求頁(yè)大小由硬件固定，段長(zhǎng)度可動(dòng)態(tài)變化；

4. 頁(yè)表信息是一維的，段表信息是二維的；

段頁(yè)式存儲(chǔ)管理：現(xiàn)將邏輯空間按照段式管理分成若干段，再將內(nèi)存空間按照頁(yè)式管理分成若干頁(yè)，分頁(yè)可以有效提高內(nèi)存利用率，分段可以更好的滿足用戶需求。

4.3 存儲(chǔ)管理之虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存概述：是操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的關(guān)鍵技術(shù)，使得多道程序運(yùn)行和大程序運(yùn)行成為現(xiàn)實(shí)，把程序使用內(nèi)存劃分，將部分暫時(shí)不使用的內(nèi)存放置在輔存，實(shí)際是對(duì)物理內(nèi)存的擴(kuò)充。

局部性原理：指CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，無(wú)論是存取指令還是存取數(shù)據(jù)，所訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元都趨于聚集在一個(gè)較小的連續(xù)區(qū)域中。

虛擬內(nèi)存的置換算法：先進(jìn)先出（FIFO）、最不經(jīng)常使用（LFU）、最近最少使用（LRU）

虛擬內(nèi)存的特征：

• 多次性：無(wú)需再作業(yè)運(yùn)行時(shí)一次性全部裝入內(nèi)存，而是允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存；

• 對(duì)換性：無(wú)需在作業(yè)運(yùn)行時(shí)一直常駐內(nèi)存，而是允許在作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中，將作業(yè)換入、換出；

• 虛擬性：從邏輯上擴(kuò)充了內(nèi)存的容量，使用戶看到的內(nèi)存用來(lái)，遠(yuǎn)大于實(shí)際的容量；

4.4 Linux的存儲(chǔ)管理

Buddy內(nèi)存管理算法：經(jīng)典的內(nèi)存管理算法，為解決內(nèi)存外碎片的問(wèn)題，算法基于計(jì)算機(jī)處理二進(jìn)制的優(yōu)勢(shì)具有極高的效率。

Linux交換空間：交換空間（Swap）是磁盤(pán)的一個(gè)分區(qū)，Linux內(nèi)存滿時(shí)，會(huì)把一些內(nèi)存交換至Swap空間，Swap空間是初始化系統(tǒng)時(shí)配置的。

Swap空間與虛擬內(nèi)存的對(duì)比：

五、文件管理

5.1 操作系統(tǒng)的文件管理

文件的邏輯結(jié)構(gòu)：

• 邏輯結(jié)構(gòu)的文件類型：有結(jié)構(gòu)文件（文本文件，文檔，媒體文件）、無(wú)結(jié)構(gòu)文件（二進(jìn)制文件、鏈接庫(kù)）。

• 順序文件：按順序放在存儲(chǔ)介質(zhì)中的文件，在邏輯文件當(dāng)中存儲(chǔ)效率最高，但不適合存儲(chǔ)可變長(zhǎng)文件。

• 索引文件：為解決可變長(zhǎng)文件存儲(chǔ)而發(fā)明，需要配合索引表存儲(chǔ)。

輔存的存儲(chǔ)空間分配：

• 輔存的分配方式：連續(xù)分配（讀取文件容易，速度快）、鏈接分配（隱式鏈接和顯式鏈接）、索引分配

• 輔存的存儲(chǔ)空間管理：空閑表、空閑鏈表、位示圖。

目錄樹(shù)：使得任何文件或目錄都有唯一的路徑。

Linux文件的基本操作：參考鏈接

Linux的文件系統(tǒng)：FAT、NTFS（對(duì)FAT進(jìn)行改進(jìn)）、EXT2/3/4（擴(kuò)展文件系統(tǒng)，Linux的文件系統(tǒng)）

六、設(shè)備管理

I/O設(shè)備的基本概念：將數(shù)據(jù)輸入輸出計(jì)算機(jī)的外部設(shè)備；

廣義的IO設(shè)備：

• 按照使用特性分類：存儲(chǔ)設(shè)備（內(nèi)存、磁盤(pán)、U盤(pán)）和交互IO設(shè)備（鍵盤(pán)、顯示器、鼠標(biāo)）；

• 按照信息交換分類：塊設(shè)備（磁盤(pán)、SD卡）和字符設(shè)備（打印機(jī)、shell終端）；

• 按照設(shè)備共享屬性分類：獨(dú)占設(shè)備，共享設(shè)備，虛擬設(shè)備；

• 按照傳輸速率分類：低速設(shè)備，高速設(shè)備；

IO設(shè)備的緩沖區(qū)：減少CPU處理IO請(qǐng)求的頻率，提高CPU與IO設(shè)備之間的并行性。

SPOOLing技術(shù)：虛擬設(shè)備技術(shù)，把同步調(diào)用低速設(shè)備改為異步調(diào)用，在輸入、輸出之間增加了排隊(duì)轉(zhuǎn)儲(chǔ)環(huán)節(jié)(輸入井、輸出井)，SPoOLing負(fù)責(zé)輸入（出）井與低速設(shè)備之間的調(diào)度，邏輯上，進(jìn)程直接與高速設(shè)備交互，減少了進(jìn)程的等待時(shí)間。

七、實(shí)現(xiàn)支持異步任務(wù)的線程池

線程池：線程池是存放多個(gè)線程的容器，CPU調(diào)度線程執(zhí)行后不會(huì)銷毀線程，將線程放回線程池重新利用。

使用線程池的原因：

1. 線程是稀缺資源 ，不應(yīng)該頻繁創(chuàng)建和銷毀；

2. 架構(gòu)解耦，業(yè)務(wù)創(chuàng)建和業(yè)務(wù)處理解耦，更加優(yōu)雅；

3. 線程池是使用線程的最佳實(shí)踐。

實(shí)現(xiàn)線程安全的隊(duì)列Queue

• 隊(duì)列：用于存放多個(gè)元素，是存放各種元素的“池”。

• 實(shí)現(xiàn)的基本功能：獲取當(dāng)前隊(duì)列元素?cái)?shù)量，往隊(duì)列放入元素，往隊(duì)列取出元素。

• 注意：隊(duì)列可能有多個(gè)線程同時(shí)操作，因此需要保證線程安全，如下兩種情況：

實(shí)現(xiàn)基本任務(wù)對(duì)象Task

實(shí)現(xiàn)的基本功能：任務(wù)參數(shù)，任務(wù)唯一標(biāo)記（UUID），任務(wù)具體的執(zhí)行邏輯

實(shí)現(xiàn)任務(wù)處理線程ProcessThread：任務(wù)處理線程需要不斷地從任務(wù)隊(duì)列里取任務(wù)執(zhí)行，任務(wù)處理線程需要有一個(gè)標(biāo)記，標(biāo)記線程什么時(shí)候應(yīng)該停止。

實(shí)現(xiàn)的基本功能：基本屬性（任務(wù)隊(duì)列、標(biāo)記），線程執(zhí)行的邏輯（run），線程停止（stop）。

實(shí)現(xiàn)任務(wù)處理線程池Pool：存放多個(gè)任務(wù)處理線程，負(fù)責(zé)多個(gè)線程的啟停，管理向線程池的提交任務(wù)，下發(fā)給線程去執(zhí)行。

實(shí)現(xiàn)的基本過(guò)程：基本屬性，提交任務(wù)（put，batch_put），線程啟停（start，join），線程池大?。╯ize）。

實(shí)現(xiàn)異步任務(wù)處理AsyncTask：給任務(wù)添加一個(gè)標(biāo)記，任務(wù)完成后，則標(biāo)記為完成；任務(wù)完成時(shí)可直接獲取任務(wù)運(yùn)行結(jié)果；任務(wù)未完成時(shí)，獲取任務(wù)結(jié)果，會(huì)阻塞獲取線程。

主要實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)函數(shù)：設(shè)置運(yùn)行結(jié)果（set_result），獲取運(yùn)行結(jié)果（get_result)