系统分析员考试复习笔记-3：第三章 操作系统基本原理



1.      第三章操作系统基本原理（P116）

1.1.      操作系统概述

一般操作系统包括：处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理和用户接口等5种功能。

1. 对处理机的分配和运行进行有效的管理。在多道程序环境下，处理机的分配和管理是以进程为单位的。因此处理机管理，可以归结为进程管理。

2. 存储器管理，对内存的分配、保护和扩充。

3. 设备管理，设备分配（采用缓冲和虚拟技术），设备传输控制（物理的输入输出，I/O），设备独立性（用户向操作系统申请的设备与实际的操作设备无关）。

4. 文件管理，对文件的存储空间管理，包括存储空间的分配和回收，目录管理、文件操作管理和文件保护等。

5. 用户接口，使用操作系统功能的手段；分为程序接口和操作接口。

   操作系统的类型

   可分为：单用户操作系统、批处理操作系统、分时操作系统、实时操作系统、网络操作系统、分布式操作系统、并行操作系统和嵌入式操作系统。【注：分类标准很混乱】

1. 单用户操作系统，一台处理机上只能支持一个用户程序的运行。

2. 批处理操作系统，作业处理系统。分为单道批处理系统和多道批处理系统。

3. 分时操作系统，为了解决批处理系统无法进行人机交互的问题，并使多个用户通过自己的终端以交互的方式使用计算机，共享主机中的资源。系统采用分时技术，将CPU的时间划分成很短的时间片，轮流分配给各个终端作业使用。

4. 网络操作系统，具有网络功能的操作系统，主要特点是网络中各种资源的共享和各台计算机间的通讯。

5. 分布式操作系统，各台计算机间相互合作，共同完成一个任务。网络操作系统的高级形式，与网络操作系统的区别是，在于任务的分布性，即把大任务分成多个小任务，并分派到不同的CPU上执行。

6. 嵌入式操作系统，运行在嵌入式智能芯片环境中。

   操作系统的结构

   从结构看，主要有整体结构、层次结构、客户/服务器结构和面向对象结构。

1. 整体结构，也称为模块组合结构或无序结构，是基于结构化程序设计的设计方法，开发的操作系统。模块作为操作系统的基本单位，每个模块具有一定独立的功能，若干个相关联模块协作完成某个功能。模块之间无序调用。所有的模块连接成一个完整的操作系统。

2. 层次结构，将操作系统划分为内核和若干模块（或进程），这些模块按功能的调用次序排列成若干层次，各层之间是单向依赖或者单向调用关系，即低层为高层服务，反之不能。缺点建立模块间的通信机制，模块间通讯花费很大。

3. 客户服务器结构，现代操作系统大多拥有两种工作状态，分别是核心态和用户态。一般应用程序工作在用户态，内核模块和最基本的操作系统核心工作在核心态。也称为微内核结构。大多操作系统功能由在用户态的服务器进程来实现。客户进程将请求发给服务器进程，服务器进程将处理结果返回服务器进程。服务器进程不能直接访问硬件。主要优点：

1. 统一的接口。

2. 可伸缩性好

3. 可移植性好，所有与具体机器特征的相关代码，全部隔离在微内核中。

4. 实时性好。

5. 安全可靠性高

6. 支持分布式系统

1. 面向对象结构

   进程管理

   进程是进行资源分配和调度的基本单位。

   进程是通过物理实体被感知的，进程的物理实体又称为进程的静态描述，通常由三部分组成，分别是程序、数据集合和进程控制块（Process Control Block，PCB）。程序描述了进程所要完成的功能，数据集合描述了程序运行所需要的数据部分和工作区；PCB包括进程的描述信息、控制信息和资源信息，是进程动态特性的集中反映。程序和集合是进程存在的物质基础，是进程的实体；PCB是进程存在的标志，进程与PCB是一对一的关系，操作系统利用PCB对并发执行的进程进行控制和管理。

   进程的状态

   进程与程序不同，它是活动的且有状态变化的。

1. 三态模型

   具有三种基本的状态，分别是运行、就绪和阻塞，入下图：

   程序加载后处于就绪状态，分配的CPU时间片到，进入运行状态，CPU时间片到，回到就绪状态；在运行状态中，如果需要等待某事件，进入阻塞状态，事件条件满足后，进入就绪状态。

   运行状态：进程占有处理机正在执行程序的状态。

   阻塞状态：也称为等待状态或睡眠状态，是进程等待某个事件发生而处于暂停执行的状态。

   就绪状态：进程已经分配到除处理机以外的资源，具备执行条件，等待处理机调度的状态。

2. 五态模型

   由于进程的不断创建，系统资源尤其是内存资源不能满足所有进程的要求。这时必须将某些进程挂起，放到磁盘对换区，暂时不参加调度，以负载均衡。挂起原因，可能是系统故障，或调试程序等等。

   活跃就绪，指进程在内存并且可被调度状态。静止就绪，对换到外存时的就绪状态，是不能直接被调度的状态。

   活跃阻塞和静止阻塞同理。

   信号量与PV操作

   在多道程序中，由于资源共享与进程合作，使各进程间产生两种形式的制约关系，一种是间接制约，例如都需要访问打印机，执行打印操作；另外一种是直接制约，例如进程A通过缓冲区为进程B提供数据。

   进程同步主要源于进程合作，是进程之间共同完成一项任务时直接发生相互作用的关系。在多道程序中，这种在执行次序上的协调时必不可少的。

   进程互斥主要源于资源共享，是进程之间的相互制约关系。在多道程序中，每次只允许一个进程访问的资源成为临界资源，进程互斥要求保证每次只有一个进程使用临界资源。

   在每个进程访问临界资源的程序段，称为临界区，进程进入临界区需要满足一定的条件，以保证临界资源的安全使用了系统的正常运行。临界区是进程在时间上互斥。即同一时间只允许一个进程执行。

    

   【注：在访问临界资源时，需要说明的是临界区的大小，因为CPU是按照分时执行进程的，当进程拥有临界区的资源后（进程在执行临界区的代码），CPU被分配到其他的进程上，此时临界资源，对于其他的进程也是无法访问的。JVM的监视器模型，实际上是一个面向对象化的临界区和临界资源，拥有监视器，即拥有对象锁，也意味着进入了临界区，此时资源，只允许临界区的代码访问；即此时其他的进程应该无法进入临界区，即执行临界区的代码，控制的机制实际上就是信号量，通过信号量来控制临界资源的当前的数量，和允许那些进程进入到临界区中。同理，在监视器模型中，线程（在这里只限于同步代码，线程和线程是存在明显区别的）请求对象锁（类似于信号量），对象锁未被拥有，线程进入监视区，拥有该监视器（整体执行监视器的代码，中途不会将将CPU的时间片，分配给其他的线程；进程则是同判断，决定其他的进程是否执行临界区的代码，在同一个信号量下，保证临界区的代码只能有一个进行执行），可以执行对象的方法，注意，仅仅该对象的方法，其他的对象不包括在内，因为没有拥有其他对象的监视器，线程执行完成后，执行notify，通知其他线程，可以申请该对象的监视器。监视器monitor，即监视对象执行的监视区域的代码，即拥有监视器，才能执行监视区域的代码，和锁的概念不同，锁没有代码区。监视器是按照对象来区分的，如果在一个对象的监视区内，调用其他对象的方法，此时线程执行其他对象的方法，如果该方法，不需要拥有监视器，则同样按照线程分时去执行。即不会整体执行。】

1. 信号量

   信号量作为进程同步和互斥的工具。进程互斥，即临界区代码的访问。资源互斥，即不能对资源同时访问。

   信号量是一个二元组(S,Q)，其中S是一个整型变量，初值为非负，Q为一个初始状态为空的等待队列。在多道程序系统中，信号量是一种有效的实现进程同步与互斥的工具。信号量的值通常表示某类资源的数目，当它大于0，表示系统当前可用的资源数据量；当它小于0，表示系统中等待使用该资源的进程数量，即在Q队列上排队的PCB数量。信号量的值是可变的，由PV操作来改变。

   【处理过程说明】S>0表示拥有资源数量；S<0表示拥有等待的进程数量。

   P（S）/wait（s）：表示当前进程执行还是进入阻塞队列。

   如果：s=s-1;s<0;说明目前没有资源，当前进程进入等待队列（包括忙等，即自旋，空循环，while（0<1）;阻塞，切换上下文，进入阻塞状态）。s > =0，表示拥有资源，进程执行。

   V(s)/single(s);表示是否唤醒一个进程进入就绪队列。

   s= s+1;释放一个资源后，如果s <=0，说明，队列中还是有等待的进程，唤醒该进程，进入就绪队列（是否执行，看wait）。

    

   互斥模型(已有资源，同时申请)：

   互斥：S=1。

   同步模型：

   同步：S=0

    

    

   互斥模型，信号量一般为1；即只有一个资源不能同时访问。互斥，先P后V。

   同步模型，信号量为0；即只有相互合作，才能使信号量>0，进程才能执行。同步，先V后P。

    

   死锁问题

   产生死锁的四个必要条件：

1. 互斥条件。任意时刻只允许一个进程使用资源。

2. 不剥夺条件。进程已经占有的资源，不会被强制剥夺。

3. 请求与保持条件。进程在请求其他资源时，不主动释放已占有的资源。

4. 环路条件。环路中每一条边是进程在请求另一进程已经占有的资源。

   对死锁的处理，常用的方法包括：预防、避免、检测与解除等方法。

1. 死锁预防

   采用某种策略，限制并发进程对资源的请求，使系统任何时刻都不满足死锁的必要条件。针对破坏死锁的四个必要条件进行。

   破坏互斥条件：固有属性，不可改变。

   破坏不剥夺条件：如果进程申请新的资源不能得到满足，则暂时释放已有的资源。该策略比较复杂。需要保护进程和资源的释放现场，同时会导致进程反复申请释放资源。

   破坏申请与保持条件：进程一次性申请全部资源，如果有任一资源不满足，则其他资源也不分配，进程等待。

   破坏环路：对资源进行编号，按照编号有序申请。

2. 死锁避免

   将限制条件弱化，允许死锁的存在但不让它发生，设置一种安全状态，让进程按照某种顺序分配资源。在某一时刻系统能够按照某种顺序为每个进程分配其所需的资源，直到最大需求，使每个进程都能顺利完成，则称此时系统处于安全状态。例如下表，系统处于安全状态，存在一个安全序列<P2,P1,P3>

   银行家算法就是判断系统状态是否安全，从而决定是否为进程分配资源的一种方法。

3. 死锁的检测和解除

   是指系统保存资源的请求和分配信息，利用某种算法对这些信息加以检查，以判断是否存在死锁。死锁检查算法，主要检查是否有循环等待。

   有向图的顶点为资源或者进程，从资源R1指向P1的边，表示R1已分配给P1，从进程P1指向资源R2，表示P1因请求R2处于等待状态，有向图中的回路表示可能存在死锁。

   P1

   R1

   R2

   R3

   P3

   P2

   解除死锁的方法：

1. 资源剥夺法，挂起某个死锁的进程，将资源分配其他的进程。避免进程因资源枯竭而饿死。

2. 撤销进程法，根据进程优先级，撤销低优先级的进程。

3. 进程回退法，让一个进程或多个进程回退到可以解锁的状态。

   线程管理

   在现代操作系统中，引入线程的概念，是进程的活动成分，是处理器分配资源的最小单位，它共享进程资源和与地址空间。进程创建时，会创建一个线程，称为主线程。

1. 线程从实现方式上分为三类：

1. 内核线程，由操作系统内核创建并调度；

2. 用户线程，不依赖于操作系统内核，由线程库创建、调用并管理。

3. 轻权线程，由内核线程支持的用户线程。

1. 与进程的比较

1. 调度。传统操作系统，进程是资源的拥有、调度和分配的基本单位；拥有线程的系统，进程为拥有资源的基本单位，调度和分配的基本单位为线程。

2. 并发性。引入线程的操作系统，不仅进程间并发，线程间也并发。

3. 拥有资源。进程内的线程拥有的必不可少的资源，其他的资源，进程内的所有线程共享。

4. 系统开销。进程切换，需要保存CPU、裸机地址空间的切换；线程间切换，仅需保存少了寄存器的内容。不涉及存储器管理的操作。此外由于同一进程中的多个线程拥有相同的地址空间，同步、切换和通讯无需操作系统内核的干预。

1. 多线程操作模型

1. 多对一模型。多个用户现场对应一个核心线程。不能并行运行在多处理器上。

2. 一对一。一个用户线程对应一个核心线程。提供了并发性，但是创建核心线程开销会影响性能，限制了创建用户线程的数量。

3. 多对多。综合上述模型

   内存管理

   包括以下几个方面：内存空间的分配与回收；配合硬件进行地址转换工作，把用户使用的逻辑地址转换为处理器能访问的物理地址；内存空间的共享和保护，使得多个进程能够同时访问公共程序所占的内存区，同时防止多个程序在执行过程中相互干扰，并保护区域内的信息不被破坏；内存不足时，可以使用大容量外存解决内存不够用的问题。

   地址变换

   将程序à目标程序（编译后），逻辑地址从0开始；装载到内存后，将逻辑地址转换为物理地址。

   有两种方式：静态重定位和动态重定位。

   静态重定位：在作业装入时，由作业装入程序实现地址转换。优点是容易实现，不需要硬件转换机构实现。在执行期间程序在内存中不能移动，难以做到内存共享，内存利用率低。

   动态重定位：CPU访问程序和数据之前实现地址转换。必须借助硬件地址转换机构来实现。优点是程序可以在内存中移动，容易实现内存共享，有可能实现虚拟存储空间。硬件添加一个寄存器（称为重定位寄存器或者基址寄存器），当程序在内存移动时，将移动后的内存区域的首地址存储在基址寄存器内【注：此时还要求程序的内存时连续的】，寻址时，读取基址寄存器的地址+逻辑地址可以定位。

   内存保护：重定位寄存器和界限寄存器。重定位寄存器保存的是操作系统分配给这个程序加载的内存机制，界限寄存器，保存程序的逻辑地址访问上限，即程序逻辑地址的最大值。这样就保证了程序在访问时，不会访问内存以外的区域。

   程序步骤：编译à链接（将系统库的二进制映像并入程序的二进制映像文件中）à加载（将程序加载到内存中，分配内存地址）à运行。

   动态加载是指：在运行时，将子程序加载入内存，为其分配内存地址。

   动态链接：在运行时，将链接的系统的库的逻辑地址，更新为内存中系统库的地址（不在内存中，加载到内存中）。即在运行时进行程序和系统库的链接。

   编译时和加载时捆绑的地址，逻辑地址空间（CPU为程序生成的地址空间）和内存地址空间是一致的；动态加载，逻辑地址空间和内存地址空间不一致，因为随着子程序动态加载，逻辑地址空间是不停的上涨的。

   分区内存管理

   固定分区管理和分页式分区管理，来源动力为：更高的内存利用率。

   分段式和虚拟内存，来源动力为用户需求。内存分区管理为了支持多道程序。

   分区à分区表记录分区大小、起始地址、是否已分配。

   固定分区，作业装入前已经分配固定大小，分区不可变à可变分区，作业装入时，根据作业大小分配

	分配时间	大小	数量	分配算法
固定分区	作业装入前	固定	固定	简单，一个分区一个作业
可变分区	作业装入时	根据作业大小决定	根据作业装入数量决定	首次适应算法：从空闲分区第一个表目查起，将最先满足要求的分区划分出满足作用的分配给作业。优点速度快；缺点碎片多。 最佳适应算法：从全分区找出一块满足作业要求的最小分区，分配。先将空闲分区从小到大排序。 有利于大空间需求作业。 最坏适应算法：从全分区找出一个最大满足要求的分区分配给作业。先从大到小排序。适应小作业。 实践证明：首次好于最佳，两者好于最坏。
可重定位分区				在适当的时候将零散的空闲分区，合并为一个大的空白分区。移动已分配的分区。 只有程序的地址是可重定位，才能实现分区合并。
多重分区				为一个作业分配一个以上分区。便于程序共享数据和程序，复杂，需要动态重定位结构硬件支持。

 

 

对简单是单一连续管理，将内存空间分为两个部分，一部分存储操作系统的程序和数据，另外一部分存储用户的程序和数据。只能用于单任务单用户的操作系统中。

分区管理是支持多道程序运行的最简单的一种内存管理方式，包括固定分区、可变分区、可重定位分区和多重分区。

1. 固定分区：也称为静态分区，作业装入之前内存被划分为多个分区，运行期间，不在重新划分，分区个数和分区大小不可变。一个分区装入一个程序。系统分区表说明分区的大小、分配的地址和十分已分配。特点，简单，缺点，内存利用率低。

2. 可变分区：也称为动态分区，作业装入内存时，从可用的内存中划分出一块区域分配给他，形成一个新的分区。在选择空闲分区时，有几个算法可选：1)首次适应算法，从空闲区表第一个表目开始查找，把最先满足要求的分区分给它，最合适正好，如果比申请的大，剩下的空间比较小。要求空闲区表地址空间从低到高排列。容易导致内存碎片。2）最佳适应算法，找到满足程序、最小的空闲区域。有利于大进程空间的装入。3）最坏适应算法，将最大的内存区域，且大于等于作业要求大小，分配给它。

3. 可重定位分区：解决存储器碎片问题的有效简单算法。在适当的时候，将空闲区拼成一个大的空闲区。

4. 多重分区：将作业分配一个以上的分区。

5. 存储区保护：常用方法，界地址保护和设置存储键保护。

   段页式存储管理

   分区存储管理存在产生存储碎片和空间管理比较复杂的问题，究其原因，这种管理方式，要求把作业放到连续的一块内存区域。为了避免这种连续性要求，可以将作业的逻辑地址空间分成若干长度相等的区域（页），内存空间也划分为若干长度与页长度相等的区域（称为页帧或块），程序装入时，每个页对应一个页帧，这就是分页式存储管理的思想。

   【注：分区式，将内存分区，一个区装入一个应用程序；分页式，将程序分页，将内存分为页帧，每一个也对应一个页帧；管理的粒度更小了；从管理整体的应用程序地址空间，到管理以页为单位的地址空间。内存管理，即对应用程序地址空间如果装入内存地址空间的管理。关键点在内存地址空间，应用程序地址空间，也是内存的地址空间。】

1. 页式存储管理

   页帧可以是连续的，也可以使不连续的。

   地址转换过程：作业逻辑地址空间à页表（保存作业页和内存页帧的对应关系）à页帧号和页帧内偏移。

2. 段式存储管理

   段式存储管理，按用户作业的自然段来划分逻辑空间，每段占用连续的地址空间。逻辑地址二维，由段号和段内地址组成。每个作业见一个段表，段的分配与回收与可变分区存储管理相同。

   和页式的区别：

1. 分页作业是单一的线性地址空间，分段作业地址空间是二维的。【注：即在分页存储管理时，作业的逻辑地址，分页作业也是一维的，但是注意映射过去的页帧地址是二维的；分段作业的逻辑地址是二维的。】

2. 页是信息的物理单位，大小固定，分页活动用户看不见【注：系统行为，目标程序的地址空间是一维的。】。分页目的提高内存的利用率。段是信息的逻辑单位，长度不定，分段活动用户是可见的，目的更好的满足用户需求。

3. 分页存储实现单段式虚拟存储系统，而段式存储实现多段式虚拟存储系统。

1. 段页式存储管理

   段式和页式结合，作业按照逻辑分成若干端，每段分成若干页。作业对应一张段表和若干页表。

   逻辑地址转换步骤：地址转换机构取出逻辑地址，并根据页的大小将段内地址分为页号和业内地址。

   需要三次访问内存：第一次：根据段号检索段表，找到该段的页表存储地址；第二次：根据页号查页表，取出相应的页帧号，将页帧号和业内地址合并得到物理地址；第三次：根据物理地址获取指令和数据。

   虚拟存储管理

   以上的问题：作业必须全部装入内存，装入的程序，可能一直不会用，也不同同时使用。降低的内存的利用率。

   解决：运行期不全部装入，只装入当前运行的那部分程序和数据，其余部分留在外存；当执行的指令或数据不在内存时，再由操作系统请求调入内存。如果内存已满，将暂时不用的程序和数据调入外存。

   将这种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存储器系统称为虚拟存储系统。

1. 局部性原理

   指程序执行呈现局部性规律【注：将实践提升为理论，并系统化，同时能够指导实践。很多人可以提出想法或者思路，但是不能完善】。时间局部性【注：指程序】：同一条指令，不久以后还会执行；空间局部性【注：指数据】，程序访问存储单元，不久相邻的存储单元也会被访问。

2. 工作集。指在某段时间间隔内，进程实际要访问的页面的集合。

3. 页面置换算法

   当内存中没有空闲页面，而又有程序和数据需要从外存装入内存，需要从内存中选择一个或多个页面淘汰出去。良好的页面置换算法应该淘汰那些被访问概率最低的页面。

1. 随机淘汰算法。无法确定那个页面被访问概率最低时，随机选择某个页面，并换出。

2. 轮转算法。按照页面编号，循环换出内存每一个可以替换的页面。不论刚进入内存还是，以驻留很长时间。

3. 先进先出算法（FIFO:First in First Out）。选择内存驻留时间最长的页面替换掉。该算法忽略了一个要素，驻留时间最长的页面往往是需要频繁访问的页面。

4. 最近最少使用算法（Least Recently Used，LRU）。选择内存内最久没有访问的页面淘汰。

5. 最近没有使用算法（No Used Recently，NUR）。

6. 最优置换算法。

7. 时钟页面替换算法（Clock）。将调入内存的页面链成循环队列，用一个指针指向下一个将被替换的页面。

   点滴

   需要把作业装入内存，最简单的方式，就是把内存划分为两个区域，一个系统区，加载操作系统，一个用户区，加载用户作业。

   问题出现了，如果多道作业怎么办？

   那么把用户区分为多个区固定大小的分区，一个分区装入一个作业。即：固定分区管理。

    

   问题有来了，有的作业很大，一个固定分区装不下，有的作业又很小，一个分区内大部分内存都浪费掉了。怎么办？不同分区之间的作业可以相互访问，导致数据污染，怎么办？

   分区大小不在固定，按照作业大小去确定一个分区大小。即：可变分区管理。内存中有多个不连续的空闲区域，怎么去定位这个合适大小的分区分配给作业呢？首次适应算法（第一个合适的），最佳适应算法（最合适的）和最坏适应算法（最不合适的）。

   出现数据污染的，则加上一个机制，作业只能访问本区域内的内存，采用基址寄存器和界限寄存器的方式实现。界限寄存器保存逻辑地址上限，为什么不保存物理地址的上限呢？因为物理地址是需要逻辑地址二次绑定生成，需要额外的计算资源。

    

   新的问题出现了，在一轮轮的内存分配和回收过程中，产生了大量内存碎片，怎么办？如此下去，系统就没有合适的内存块分配了。

   把碎片空闲区域合并，即可重定位分区。

    

   新的问题出现，作业间需要共享程序和数据，同时有些数据是作业私有的，不能共享，必须保护，怎么办？

   让作业分配给多个分区，不同的分区，确定不同的保护机制，即多重分区管理。

    

   又是很严重的问题，虽然系统的分区可以重定位，但是每次重定位都需要移动内存的数据和程序，在移动期间，作业不能运行，浪费了大量的资源。怎么办？

   很简单，既然碎片很多，那么我们就把作业的块变小，降低碎片的标准，例如把一个作业分为64K大小的逻辑地址块，这是只要有64K的空闲区域即可用。我们称之为页，即把作业的逻辑地址空间分为一页一页的。相应的对应的内存空间称之为页帧。在作业内建立一个页表，记录逻辑地址空间的页和内存地址空间的页帧的对应关系。地址结构也变成两部分，即页号和页内位移。同时地址寄存器，也变为两个，块地址寄存器（对应页号）和块内地址寄存器（对应页内地址）。称为页式存储管理。

    

   新的问题出现了，作业的逻辑地址空间被系统均匀的分割为多个页，但是导致一些逻辑上很紧密的命令分散在多个页上，导致寻址效率低（因为系统共有联想存储缓存，会把要读地址的关联地址也都读入内存）。

   好，既然将逻辑地址空间物理分段会有问题，那么我就按照作业的逻辑关系将逻辑地址空间分成一段一段的，此时逻辑地址空间不在是一维的线性的，而是二维的，一个逻辑地址由段号和段内偏移地址组成。此时各段可以放在不同的分区中，段的分配和回收和可变分区相同。段式存储管理存在和可变分区相同的问题，管理复杂，空间利用率差。即段式存储管理。

    

   新的想法，页式存储内存利用率高，空间管理简单，但是用户不可识别，段式空间可以识别，但是管理复杂，空间利用率低。是否可以把两者结合呢。

   段页式存储管理。逻辑地址分段，段内分页，地址结构分为四个部分：段号，段内地址，段内地址又包含页号和业内地址。

   地址转换步骤。（1）地址转换机构取出逻辑地址（段号+段内地址），根据页的大小，转换为页号和页内地址；（2）根据段号检索段表，取出该段页表地址；根据页号查找页表，取出页帧号，把页帧号和业内地址组合，得到物理地址；（3）读取物理地址的内存，执行相应的指令。

    

   问题又出现了，在上面的内存管理中，要求1）作业逻辑内存空间大小不能超过可分配的物理空间大小；在作业装入内存后，有些代码只运行一次，有些代码则根本不运行（例如错误处理代码，或不常用的功能），大大浪费了内存空间。怎么办？虚拟存储管理出现了。

   此时程序并不全部装入内存，只把需要执行的程序和数据装入内存运行，其他的依旧保存在外存，当执行的指令和访问的数据不在内存时，操作系统调用请求调入功能，将其加载到内存，同时将不再执行的指令和数据调至外存。这样一个较大的程序可以在较小的内存空间运行。为什么会这样呢？因为程序和数据存在以下特点：

   局部性原理，即程序执行的局部性原理。即一段时间内程序的执行，只局限于某个部分。包括（指令执行的）时间的局部性和（存储单元访问的）空间的局部性。时间的局部性是指，一个指令在执行后，一段时间内还会再次被执行（程序中存在循环），空间的局部性，访问的数据所在的存储单元，其附近的单元也会被访问（数据格式是线性的）。

   工作集。

   页面置换算法。当内存中没有空闲空间，而又有程序和数据需要从外存调入。就需要从内存选择一个页面置换到外存去。此算法称为页面置换算法。算法标准是：将被访问概率最低的页面置换到外存。

   随机淘汰算法。随机选择一个页面。

   轮换算法。按照页面编号，循环置换页面。

   先进先出（FIFO，First in First Out）。滞留内存时间最长的页面置换到外存。问题：滞留时间最长，可能是经常访问的。

   最近最久未使用（LRU，Last Recent Used）。最近一段时间，最久没有使用的页面置换到外存。

   最近未使用（NUR，No Used Recent）。最近一段时间，未被访问的页面，任选其一置换掉。设置时钟周期即可，访问为1，未访问为0；每个周期开始置0。

   最优置换算法。永久未使用，后者未来时间内长时间未使用的页面置换出去。计算时间很复杂。

   时钟页面替换算法。

    

   文件系统（P138）

   文件是操作系统进行信息管理的基本单位。对软件资源的管理是通过文件系统实现的【注：在这里又出现了管理的维度问题，从文件的角度，软件可以看做文件资源，注意，这是无损的，且可穷尽的。也就是说软件资源是无穷尽的，但是从文件的角度看，组成软件资源的文件是有限的，且可穷尽的，那么就是可管理的】。操作系统必须考虑：目录的建立和维护，存储空间的分配与回收，信息的编码方法和存储次序，以及如何检索用户信息。

   文件的组织结构

   分为逻辑结构（从用户角度）和物理结构（从物理角度）。【注：更多关注的是同一个文件的逻辑结构和相应的物理结构】

   1）逻辑结构。可以分为：1）流式文件，相关信息项的集合，基本单位是字（或字节）；2）记录式文件，数据记录的集合，基本单位是逻辑记录，记录有等长和变长之分。

   2）物理结构。文件物理结构是指文件在存储介质上的组织方式，它依赖于物理存储设备和存储空间，可以看做相关物理块的集合。物理结构决定了信息在存储设备上的存放位置和方式。【注：描述的核心是物理块，即文件由哪些物理块组成】常用的物理结构有：顺序结构，链接结构（物理块之间建立链表）和索引结构（为逻辑结构中的信息记录和物理块之间建立索引表）。【结构间的关系，是逻辑记录和物理块之间的关系。】

   3）树形文件结构

   存储空间管理

   解决了三个问题：登记空闲区的分布情况，按需给文件分配存储空间，回收不在保留文件的存储空间。

   【注：存储空间管理系统和文件管理系统，管理的内容组成整体的磁盘空间；文件管理系统管理有内容的物理块，存储空间管理系统管理，空的物理块。】

   以上问题可以总结为磁盘空闲区的管理问题，常用方法有：空间文件目录法、空闲块链法、位示图法和成组链接法。

1. 空闲文件目录：连续的为分配的区域块为空闲文件，所有的空闲文件单独建立一个目录，表目内容为：第一个空闲块地址（物理块块号）和空闲个数，分配时，可以采用首次适应算法（从头开始，找到第一个满足的）和最佳适应算法（满足文件大小，空闲区域最小的空闲文件）。优点：分配和回收比较简单，缺点：管理空闲区和空闲表需要空间。

2. 空闲块链：将空闲块链成链表。增加/移去空间块时，效率低。

3. 位示图法：通过使用m*n的矩阵来管理空闲块。

4. 成组链接法：对空闲块链法的一个改进。

   分布式文件系统

1. DFS的特点（DistributedFile System,DFS）。具有网络透明性和位置透明性。网络透明性，访问网络上的文件如同访问LFS文件系统上一样；位置透明性，用户通过用户名访问文件，但是不需要知道文件保存的位置。

2. DFS组成：由运行在服务器上的DFS软件和运行在客户机上的DFS软件组成。

3. DFS架构。采用客户机/服务器架构。

4.