软件技术-操作系统2

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1、1,第三章 操作系统,3.1 基本概念 3.2 处理机管理 3.3 存储管理 3.4 文件管理 3.5 设备管理,2,3.3 存储管理,讨论3个问题： 为什么要对存储器进行管理？ 存储管理的内容？ 怎样实现存储管理？,3,1. 为什么要对存储器进行管理？,存储管理的目的： 尽量方便用户，提高主存空间利用率,理由1：存储器分为主存和辅存（二级存储），所有程序必须调入主存才能运行，而主存空间有限，所以必须对主存进行管理。 理由2：主存的空间分为系统区和用户区，系统区用来存放操作系统等信息，用户区存放用户的程序和数据，存储管理是指对用户区进行管理。应当尽量方便用户，提高主存空间利用率。,4,主要有5

2、项内容： 主存空间的分配和去配 地址转换（或地址映射） 主存空间的扩充 存储的保护（或信息保护） 主存空间的共享,2. 存储管理的内容？,作业进入内存或进程动态申请主存空间时，OS该将哪块空闲区分配出去？作业或进程执行完毕，OS又如何收回这些区域？,逻辑地址如何转换为物理地址？不转换就不能正确运行程序。,用户程序太大，内存装不下怎么办？虚拟存储技术，逻辑地址顺序排，物理地址分段转。,内存中各作业或进程应当在各自规定区域内操作，要保证互不干扰。,多个作业用到公共程序或数据，可放入某空间让大家都能调用，共享主存空间。（与第4项有矛盾）,5,（1）什么是地址变换（或地址映射、地址重定位）？ 答：在程

3、序进入内存的过程中，逻辑地址转为物理地址的过程称为程序重定位（可分为静态重定位和动态重定位）。 （2）为什么要引入浮动的逻辑地址？ 答： 引入浮动的逻辑地址是为了支持多道程序和方便用户。因为程序员在编程时无法得知程序会放入内存的哪些地址，也就是说，无法确定程序的真实地址，只能用符号来代替地址。 （3）外存中的逻辑地址怎样转换为内存中的物理地址？ 答： 先用编译程序把地址符号变为逻辑地址（把目标地址的首址作为0的相对地址），再用硬件地址变换机构将逻辑地址转为物理地址。,讨论几个重要概念：,6,静态重定位-在程序装入内存时由连接装入程序完成转换，程序运行过程中不再改变（移动）。因为程序必须全部预先

4、调入内存，因此此方式无法实现虚拟存储。 动态重定位在指令执行过程中由硬件地址变换机构对地址进行定位，程序可以在内、外存中调进调出，也可以在主存内部上下移动。,（4）什么是静态重定位和动态重定位？,7,3. 怎样实现存储管理？,管理方法主要有3种：分区、分页、分段,（1） 分区存储管理 特点：给每个作业划分一个区（这是多道情况，DOS单用户单任务不必分区），全部内存（除驻留的OS外）连续分配给用户即可。又分为“固定分区”和“可变分区”。,固定式分区把内存先分成大小不等的（空）区，再把作业一一往里套送；实现法：建立“分区分配表”，设“已分配/未分配”状态标志 技巧：将空闲区单独列表再形成链表，便于

5、系统快速查找与作业尺寸匹配的空间。有最佳适应法和首次适应法两种匹配策略。,8,可变式分区,按装入的第一批作业大小来分区，保证初始无碎片。但系统运行一段时间后，随着作业的进出释放，就会留下很多分区（且分区长度可变），要用两张表才能描述（已分配的表和空闲分区表）。 分区存储管理的特点； 优点：简单可靠 缺点：碎片多（虽然可以进行碎片整理，但CPU耗时多）,9,（2）页式存储管理,设计思想：为解决碎片问题，允许作业不连续存放，可以把主存空间等分为若干小块，同时把外存作业尺寸也等分为若干“页”，并让块和页尺寸相等（例如1K、4K、32K等） ，分得越小，碎片越少。 请注意：内存Cache+主存页式存储

6、管理实现方案：只要“不连续”，势必要用到数据结构中的“链表”和“索引”概念。可以用“页表”将作业的“页”与主存的“块”关联起来。,10,若某作业逻辑地址从0312H2AF0H，则可以将高4位当作页号，低12位为页内地址（即页长为4KB），进入主存后的具体安排见下面的页表。 问：作业中逻辑地址为1050H的单元对应主存的哪个物理地址？,例：,解： 由表可知，作业的第1页（01H）对应主存中第11块（0BH），所以逻辑地址1050H对应物理地址B050H,更普遍的公式：绝对地址块号块长页内相对地址,（例如将高6位分为页号、低10位作为页内地址的的情况）,11,若将作业预先一次性全部装入主存，则称为

7、静态页式管理,页式存储管理还可分为两种方法： 静态页式管理 和 虚拟页式管理。,若允许部分页面先调入主存执行，然后根据需要再陆续调入其他页面，则称为虚拟页式管理，即内存外存统一管理。,若主存空间不够大怎么办？,那就不装！一定要保证 作业总页数主存空闲块总数,需要解决2个问题： 怎知作业页在不在主存？不在主存时怎样处理？,此时页表至少要增添两项属性！,12,讨 论： 此表何时建立？作业调入内存时就边调入边建立了。 程序页在不在主存，看缺页中断标志标志（ 0在1不在）；进入之后改标志为0；退出之后改为1； 不在主存时，发出缺页中断申请，找到主存一空闲块之后，赶紧从磁盘调入，接着改变标志； 万一主存

8、没有空闲区怎么办？要淘汰一些页面，腾出空间调入新页。,原例：,13,页面淘汰策略主要有3种：,l 先进先出算法（FIFO）页号进入时生成队列，淘汰队首； l 最近最久未使用算法（LRU，Least Recently Used）近期未使用，记录上次引用后的驻留时间l 最近最少使用算法（LFU，Least Frequently Used）近期未访问，设置访问计数器,可能出现的异常： 刚淘汰的页面又被调入，频繁进出将产生“抖动”,14,（3）段式存储管理,问题： 若一段程序分在两页上怎么办？ 方案： 将作业按逻辑内容长短分段调入，防止分在两页上。 谁来分段？ 由程序员或编译系统来分段。 具体实现：

9、建立段表。,15,讨论：, 若程序分成N段却无法一次放入内存怎么办？用段式虚拟存储方式分批调入，方法同页式。 若一段太大，内存无法提供连续空间怎么办？段页式存储管理，段内再分页，多建一个索引表到内存。 存取内存中的一条指令至少要访问几次内存？ 至少要访问三次内存。前提是指令的逻辑地址已知，即段号和页号已知。 先根据控制寄存器访问段表，得到与该段对应的页表首址； 访问页表，得到其页号对应的内存块号； 以块号与页内地址拼接得到该指令的绝对物理地址。,16,3.4 文件管理,讨论3个问题： 为什么要对文件进行管理？ 文件管理的内容？ 怎样实现文件管理？,文件的定义：是逻辑上具有完整意义的信息集合。,

10、17,1. 为什么要对文件进行管理？ 为了给用户提供“按名存储”功能。操作系统会自动将文件名转换成存储器的物理位置，这种管理是一个信息管理机构，简称为OS中的文件管理或文件系统。 （用DOS.SYS管理） 文件系统为用户提供了5大功能： 文件组织 存储空间管理 目录管理 文件操作及共享 保护和保密,18,1. 实现文件从名字空间与外存地址空间的转换，便于识别和查找称为文件组织 2. 管理文件的存储空间，便于存放和删除称为存储空间管理 3. 建立文件目录，方便检索和保证安全称为目录管理 4. 实现对文件的控制操作和存取操作，如建立、删除、打开、关闭（内外存配合）称为文件操作 5. 联网时的资源共

11、享可节省空间，但又要保密称为共享、保护和保密,2. 文件管理的内容？,19,3. 怎样实现文件管理？,两大问题： （一）文件放在哪里？按什么格式存放？ （二） 用什么方法管理文件？ （一） 文件放在哪里？按什么格式存放？ 文件通常存放在存储介质上，如内存或外存，磁盘、光盘、磁带、磁鼓等等。 请注意存储介质与存储设备的区别。 例如光盘和光驱、磁盘和软驱不同，硬盘和硬盘驱动器合为一体。,20,讨论1：文件及存储介质的大小如何衡量？ 用存储容量衡量。除字节单位外，主要以块（324096）为单位交换信息。DOS及UNIX系统均以512字节（0.5KB）为一块。内存与外存的数据交换通常是按一块或数块进行

12、的。,讨论2：卷、柱面、磁道、簇、扇区（块）的关系？ 卷柱面磁道簇扇区（块） 卷(volume)是指一盘磁带、一张软盘或一个硬盘； 硬盘是多盘面，每个盘面叫一个柱面(clyinder)； 每个盘面有很多磁道（同心圆,track）； 每个磁道有若干簇（clust）或扇区（块,section） 一个簇是一组连续的扇区，簇随文件系统不同而不同，不定长。 簇号是描述磁盘空间的一种单位，也是DOS为文件分配磁盘空间的最小单位。,21,例：请计算3寸双面高密度软盘的存储容量。 解： 3寸双面高密度软盘，每面分为80道；每道分为18块（扇区），每扇区为512字节（0.5KB）。 则软盘容量280180.5K

13、B=1440KB1.44MB,讨论3：文件如何命名？,每个文件一定要用一个名字作为标识； DOS命名规则：基本文件名.扩展名（8B3B）Win95之后允许长文件名。,答：它是由字符和数字组成的字符串。,22,前三种分类方法与存放方式有关,随机存取指可以从文件中间读写记录（注意是记录而不是数据项）。,分类目的：便于系统对不同的文件进行不同的管理，提高处理速度并实现保护和共享 有6种分类方法： 按逻辑结构分：记录式和流式 按物理结构分：顺序、链接、索引 按存取方式分：顺序存取和随机存取 按用途或性质分：系统文件、库文件、用户文件 按保存期限分：临时文件、档案文件、永久文件 按保护级别分：执行文件、

14、只读文件、读写文件、无保护文件,讨论4： 文件的分类 （存放方式）？,流式文件即字符流或字节流，如源程序或exe文件,23,（二） 怎样管理或组织文件？,用线性表和树结构！ 关键技术是：文件名如何对应物理地址？ 最简单的表如下：,注：此处假设1个记录大小1块的长度 （也可以设N个记录1块）,24,表中包含文件名和文件说明信息，称为一级目录结构或目录文件。 其中每一行实际上是一个文件目录项，或称文件控制块（FCB）。 一级目录的优点是实现了按名存取；缺点是不允许文件重名。,改进方法：用二级或多级目录结构,25,主文件目录(MFD),wang用户文件目录(UFD),gao用户文件目录(UFD),二

15、级文件目录结构！,26,3种物理结构（顺序、链接、索引）对应3种不同的方式 l 顺序结构连续相邻块存放，知道起始地址和文件长度（以块为单位）就能存取文件。优点是简单；缺点是增减信息比较费事。 l 链接结构离散块存放，每块附加一指针，指向下一块的首址。优点是增减信息比较简单；缺点是只适于顺序存取。 l 索引结构仍然是离散块，但另造一张逻辑块与物理块的对应（索引）表，文件目录表中多出一指针项，指向这个表首址（如果文件很大，物理块太多，则索引表也会很大，若超出一个物理块，则用链表方式继续添加，或再建索引表，叫做多重索引UNIX系统使用）。它既保留了链式增减方便的优点，又能快速随机存取。缺点：先查表再

16、存取，增加了存取时间。,讨论1：怎样读取（查找）文件？,27,讨论2怎样存放新文件？ 找空闲块！ 讨论3. 怎样实现文件的删除？恢复空闲块标志！ 讨论4. 如何对空闲空间进行管理？ 有3种办法，算法都很简单。 用位示图将全部物理块的使用状态用0和1表示，0空1用，1bit足矣。例，若某张软盘有720个物理块，则状态位需要90个字节（908bit）。可假设：新存文件时就找“0”标志块存放，每存一块则改0为1； 若删除一个文件，则由文件目录把对应物理块的标志位由1改0，释放完毕后再删除文件目录项。,28, 用空闲区表只记录连续空闲块的首块及个数，有点像“压缩编码”。 刘自己设想：新存文件时找空闲区表按块存放，存完后要删减空闲区表；零头块要照样保留；若删除一个文件，则由文件目录把对应物理块找出来，然后添加到空闲区表中。若与其他空块连成一片，则要合并成为一项。 用空闲块链将所有空闲块组成链表，末块以NULL结尾。 刘自己设想：新存文件时从链头开始存放，头指针依次后移；若删除一个文件，则由文件目录把对应物理块找出来，然后添加到空闲块链尾。,