操作系统（二）
内存管理
（1）内存管理核心职责
内存管理是操作系统的核心功能，主要负责内存分配与回收（通过 malloc 申请、free 释放）、地址转换（虚拟地址转物理地址）、内存扩充（借助虚拟内存逻辑扩容）、内存映射（文件直接映射到进程空间）、内存优化（调整分配与回收策略）、内存安全（隔离进程内存访问），确保内存资源高效、安全使用。
（2）内存碎片
- 内部碎片：分配给进程的内存大于实际需求，未使用的部分（如分配 128 字节给仅需 65 字节的进程，剩余 63 字节），常见于固定大小分配机制。
- 外部碎片：未分配的连续内存过小，无法满足任何进程的内存需求，常见于分段机制，会降低内存利用率。
（3）内存管理方式
① 连续内存管理
为进程分配连续的内存空间，代表算法为伙伴系统（Linux 采用），将内存按 2 的幂次划分，分配时切分合适大小的块，释放时合并相邻块，可解决外部碎片，但存在内部碎片（分配大小需为 2 的幂次）。
② 非连续内存管理
允许进程内存离散分布，灵活性更高，分为三种方式：
- 段式管理：按逻辑意义（如代码段、数据段）划分大小不等的段，通过段表映射虚拟地址与物理地址，易产生外部碎片。
- 页式管理：将物理内存和虚拟地址空间划分为等长的页（如 4KB），通过页表映射，无外部碎片，仅可能有少量内部碎片，是现代操作系统主流方式。
- 段页式管理：结合段式与页式，先分段再分页，兼顾逻辑划分与内存利用率，但地址转换流程更复杂。
虚拟内存
（1）定义与核心作用
虚拟内存是逻辑存在的内存空间，并非真实物理内存，核心作用包括：隔离进程（进程拥有独立虚拟地址空间，互不干扰）、提升物理内存利用率（仅加载进程当前所需数据）、简化内存管理（程序员无需直接操作物理内存）、支持内存共享（动态库仅加载一份）、提高安全性（控制物理内存访问权限）、提供超大可用内存（物理内存不足时借用磁盘空间）。
（2）关键概念
- 虚拟地址：程序中使用的地址（如指针值），需转换为物理地址才能访问内存。
- 物理地址：物理内存的真实地址，存储在内存地址寄存器中。
- 地址转换：通过 CPU 中的 MMU（内存管理单元）将虚拟地址转为物理地址，核心机制为分段、分页、段页式。
- 虚拟地址空间：单个进程独占的虚拟地址集合；物理地址空间：物理内存的地址范围。
（3）地址转换机制
① 分段机制
虚拟地址由 "段号 + 段内偏移" 组成，通过段表映射段的物理起始地址，起始地址 + 段内偏移即为物理地址。段表存储段长、段类型等信息，易产生外部碎片。
② 分页机制
虚拟地址由 "页号 + 页内偏移" 组成，通过页表映射物理页号，物理页起始地址 + 页内偏移即为物理地址。为解决单级页表占用空间大的问题，引入多级页表（32 位系统二级、64 位系统四级），按需加载页表项，节省空间（时间换空间）。
③ TLB（转址旁路缓存）
为提高地址转换速度，MMU 内置高速缓存，存储虚拟页号与物理页号的映射关系。查询时优先访问 TLB，命中则直接获取物理页号，未命中则查询页表并更新 TLB，减少主存访问次数。
（4）换页机制与页缺失
- 换页机制：物理内存不足时，将部分物理页数据写入磁盘，需用时再读回物理内存，实现内存扩容，本质是时间换空间。
- 页缺失：程序访问的虚拟页未加载到物理内存或未建立映射，分为硬性页缺失（物理内存无对应页，需从磁盘读取）、软性页缺失（物理内存有页但未映射，建立映射即可）、无效页缺失（访问无效物理内存，触发错误）。
（5）页面置换算法
当物理内存无空闲页时，选择淘汰页的规则，核心目标是减少页缺失次数：
- OPT（最佳置换）：淘汰未来最长时间不使用的页，理论最优但无法实现（无法预知未来访问）。
- FIFO（先进先出）：淘汰最先进入内存的页，简单易实现，但存在 Belady 现象（内存页数增加但缺页率上升），性能较差。
- LRU（最近最久未使用）：淘汰最近最久未访问的页，接近 OPT 性能，实际应用广泛（如 InnoDB 改进版 LRU）。
- LFU（最少使用）：淘汰一段时间内访问次数最少的页，与 LRU 类似但侧重访问频率。
- Clock（时钟算法）：淘汰最近未使用的页，是 LRU 的简化版，实现高效。
局部性原理
程序执行时的内存访问特性，是虚拟内存、缓存等技术的基础：
- 时间局部性：同一数据或指令在一段时间内被反复访问（如循环代码）。
- 空间局部性：访问某数据时，其相邻数据也大概率被访问（如数组遍历）。
- 应用：分页机制中通过缓存（TLB、页缓存）利用时间局部性，通过预取技术利用空间局部性，提升内存访问效率。
文件系统
（1）文件系统核心职责
负责管理存储设备上的文件与目录，核心功能包括存储管理（文件数据存储与空间分配）、文件管理（创建、删除、移动、加密等）、目录管理（创建、删除、重命名等）、访问控制（管理用户对文件的访问权限，保证安全性）。
（2）硬链接与软链接的区别
| 对比维度 | 硬链接 | 软链接（符号链接） |
|---|---|---|
| inode 节点号 | 与源文件相同 | 与源文件不同 |
| 本质 | 源文件的平等副本，共享数据 | 指向源文件路径的快捷方式 |
| 源文件删除影响 | 无影响（需删除所有硬链接才彻底删除文件） | 软链接失效（指向无效路径） |
| 适用对象 | 仅文件，不可跨文件系统 | 文件和目录，可跨文件系统 |
| 创建命令 | ln 源文件 链接文件 | ln -s 源文件 链接文件 |
（3）提升文件系统性能的方式
- 硬件优化：使用 SSD、NVMe 替代机械硬盘，采用 RAID 技术提升磁盘性能。
- 文件系统选型：根据场景选择合适的文件系统（如 ext4、XFS）。
- 缓存机制：利用缓存减少磁盘访问次数，提高缓存命中率。
- 避免磁盘满载：预留一定剩余空间，减少文件碎片。
- 合理分区：按用途分区，减少文件碎片，提升读写效率。
（4）常见磁盘调度算法
磁盘调度算法用于优化磁盘访问顺序，减少寻道时间和延迟时间：
- FCFS（先来先服务）：按请求顺序处理，简单但平均寻道时间长，易出现饥饿。
- SSTF（最短寻道时间优先）：优先处理距离当前磁头最近的请求，缩短寻道时间，但易饥饿。
- SCAN（电梯算法）：磁头沿一个方向扫描，处理途经请求，到达边界后反向，无饥饿。
- C-SCAN（循环扫描）：仅沿一个方向扫描，到达边界后返回起点循环，优化 SCAN 的无用移动。
- LOOK：SCAN 改进版，无请求时立即反向，减少无用移动。
- C-LOOK：C-SCAN 改进版，无请求时返回最近有请求的位置，进一步优化。