操作系统知识点总结（三）

矫情吗；* 2023-02-15 12:45 3阅读 0赞

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### 6.磁盘与文件系统 ###

#### (1)磁盘的结构和基本概念 ####

磁盘设备包括多或一个个物理盘片，每个磁盘片分为一个或两个储存面。每个磁盘被组织成 若干个同心环，称为磁道。每个磁道从逻辑上划分为多个扇区(通常为 512B)，一个扇区称 为一个盘块(数据块)，各个扇区之间保留一定的间隙。  
磁盘地址:柱面号-盘面号-扇区号  
磁盘访问时间包括三部分:寻道时间，旋转延迟时间，传输时间。  
**1)寻道时间**:把磁头移动到指定磁道上的时间。是移动磁臂时间 s 与磁头移动 n 条磁道所 花费时间之和。T=m\*n+s  
**2)旋转延迟时间**:指扇区移动到磁头下面所经历的时间。T=1/2r,r 为磁盘旋转速度  
**3)传输时间**:把数据从磁盘读入或写入磁盘所经历的时间，T=b/rN，b 为每次所读的字节 数，N 为一个磁道上的字节数。

#### (2)磁盘的调度 ####

调度算法直接决定寻找时间，从而决定总的存取时间。  
常用的磁盘调度算法:  
**1)先来先服务(FCFS)  
2)最短寻找时间优先(SSTF)  
3)扫描算法(SCAN)  
4)循环扫描算法(C-SCAN)**

#### (3)磁盘的性能改善和容错 ####

提高磁盘 IO 速度的主要技术是采用磁盘高速缓存，利用内存中的存储空间来暂存从磁盘读 出一系列盘块中的信息。  
数据交付方式有数据交付和指针交付。  
置换算法:。。。不少系统在设计其高速缓存的置换算法时，除了考虑最近最久未使用，还考 虑以下几点:  
1)访问频率  
2)可预见性  
3)数据一致性

提高 IO 速度的其他方法:  
1)提前度  
2)延迟写  
3)优化物理块分布  
4)虚拟盘

容错技术:廉价磁盘冗余阵列 RAID(除了 0 级以外)，RAID 的优点:  
1)可靠性高  
2)磁 盘 IO 速度高  
3)性价比高

#### (4)外存分配方法与物理文件组织 ####

文件的物理结构又称文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式，不仅与存储介质 的存储性能有关，而且与采用的外存分配方式有关。  
外存分配方法:连续分配、连接分配、索引分配  
**1)连续分配**:要求为每个文件分配一组相邻的盘块。一组盘块的地址定义了定义了磁盘上 一段线性地址。这样形成的文件结构是顺序文件结构，此时的物理文件称为顺序文件。  
优点:顺序访问容易、顺序访问速度快。  
缺点:要求有连续的存储空间、必须事先知道文件 长度。  
**2)链接分配**:通过每个盘快上的链接指针，将同属于一个文件的离散盘块链接成一个链表，这样形成的物理文件称为链接文件。  
优点:消除了外部碎片，显著提高了外存利用率;当文件动态增长时，可动态的在为他分配 盘块，故无需实现知道文件大小;此外，对文件的增删改也很方便。  
有两种方式:  
1)显式链接  
2)隐式链接

**1)隐式链接**:在文件目录的每个目录项中，都需要含有指向链接文件的第一个盘块和最后 一个盘块，每个盘块中含有指向下一个盘块的指针。  
**主要问题**:只适合于顺序访问，对于随机访问及其低效，其次只通过一大批指针把离散的盘 块链接起来，可靠性差，只要任何一个盘块的指针出现问题，都将会导致整条链断裂。 为了提高检索速度和减少指针所占用的存储空间，可以将几个盘块组成一个簇，在盘块分配 时，以簇为单位。这样会成倍的减少超找指定块的时间。  
**2)显式链接**:把用于链接文件各个物理块的指针，显式的存放在内存的一张链接表中。该 表在整个磁盘仅设置一张。由于查找记录是在内存中进行的，不仅显著的提高了检索的速度， 而且大大减少了访问磁盘的次数，该表也成为文件分配表(FAT)。

**3)索引分配**:链接分配的缺点:  
1)不支持高效的直接存取  
2)FAT 占用较大的内存空间。

索引分配(文件的物理组织结构是 索引式文件机构)为每个文件分配一个索引块(表)， 再把分配给该文件的所有盘块号都记录在该索引块中，因而该索引块就是一个含有多个盘块 号的数组。在建立一个文件时，只需在为其建立的目录项中填上指向该索引块的指针。  
索引分配优点:支持直接访问，当要读第 i 个盘块时，可以直接从索引块中找到第 i 个盘块 的盘块号。此外，索引分配不会产生外部碎片。文件较大时，索引优于链接。 索引分配的主要问题:可能会花费较多的外存空间。  
多级索引  
混合索引。

#### (5)文件存储空间的管理 ####

储存空间的基本分配单位是磁盘块而非字节。管理包括对空闲块的组织，分配和回收。  
**1)空闲表法**:属于连续分配方式，系统为外存上所有的空闲区建立一张空闲表。  
存储 空间的分配:同样采取首次适应算法，循环首次适应算法等，回收时，也类似于内存回收的 方法，即要考虑回收区是否与空闲表中插入点的前区和后区相临接，对相临接者予以合并。 文件较小时，采取空闲表法。  
**2)空闲链表法**:将所有空闲盘区拉成一条空闲链，根据构成链所用的基本元素不同，可把链表分为两种形式:**空闲盘块链**，以盘块为单位拉成一条链，**优缺点**:用于分配和回收一个 盘块的过程非常简单，但在为一个文件分配盘块时，可能要重复操作多次;  
**空闲盘区链**，将 磁盘上所有的空闲盘区拉成一条链。分配盘区的算法通常采用首次适应算法，回收时也要考 虑合并，**为提高对空闲盘区的检索速度，可以采用显示连接法，为内存中的空闲盘区建立一 张链表。**  
**3)位示图法**:位示图是利用二进制中的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况，0 时空闲， 1 时分配。  
根据位示图进行盘块的分配时，分为三步:

*  1)顺序扫描位示图，找到 0。
 *  2)将找到的一个 或一组二进制位转化成与之相对应的盘块号。
 *  3)修改位示图，使相应位置 1。

回收分为两步:

*  1)将回收的盘块号转化为位示图中的行号和列号。注意转化公式!!!
 *  1.  修改位示图，使相应位置 0。

**4)成组链接法**:空闲表法和空闲链表法不适合大型文件，会使链表和空闲表太长。将上述 两种方法结合在一起，兼备了优点，而克服了表太长的缺点。  
**大致思想**:把顺序的 n 个空闲扇区的地址保存在第一个空闲扇区内，其后一个空闲扇区则保 存另一个顺序空闲扇区的地址，在直至所有空闲扇区均已连接。系统只需要保存一个指向第 一个空闲扇区的指针。

#### (6)逻辑文件组织 ####

文件的逻辑结构是从用户观点出发所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及 其结构，独立于文件的物理特性，又称为文件组织。  
**文件逻辑结构的类型:有结构文件;无结构文件;**  
有结构文件三种:  
**1)顺序文件**:由一系列记录按某种顺序排列所形成的文件，记录通常是记录文件。又分为 串结构和顺序结构。串结构，记录之间的顺序与关键字无关。顺序结构，所有记录按关键字 顺序排列。  
优点:只有顺序文件能储存在磁带上，当每次要读或写一大批文件时，顺序文件的存储效率 最高。  
缺点:顺序文件对于查找、修改、增加、删除等操作比较困难。  
**2)索引文件**:对于定长记录可以方便的实现顺序存取，但对于边长记录难以实现直接存取。 可以为变长文件记录建立一张索引表(本身是一个定长记录的顺序文件)。  
**3)顺序索引文件**:将顺序文件中的所有记录分为若干组，为顺序文件建立一张索引表，在 索引表中为魅族第一条记录建立一个索引项，其中含有该记录的关键字值，和指向该记录 的指针。  
**4)直接文件**:记录值本身就决定了自己的物理地址，键值转换 哈希文件:利用散列函数， 将键值转化为相应的记录的地址，可能会发生冲突。

#### (7)文件的基本操作 ####

创建文件、删除文件、读文件、写文件、截断文件、设置文件读写位置。  
文件的打开和关闭。 熟读课本相关知识

#### (8)文件目录及其管理 ####

对目录管理的要求如下:  
1)实现“按名存取”  
2)提高对目录的检索速度  
3)文件共享  
4)允许文件重名。  
文件控制块(FCB):是用来存放控制文件所需要的各种控制信息的数据结构。文件控制块 的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个文件目录项。一个文件目录也可以看 做一个文件，称为目录文件。  
文件控制块通常包含三类信息:基本信息:文件名，文件物理位置，文件逻辑结构，文件物 理结构;  
存取控制信息:文件存取权限;  
使用信息:文件建立时间，修改时间。  
索引结点:在检索目录文件的过程中，只用到了文件名，其他一些对该文件的描述信息，在 检索目录时，一概不用，所以没必要调入内存。便采用了把文件名与文件描述信息分开的办 法。文件描述信息单独形成一个称谓索引结点的数据结构。  
在文件目录中，每个目录项仅由文件名和指向该文件所对应的 i 结点的指针构成。  
**目录结构**:目录结构关系到文件系统的存取速度，也关系到文件的共享性和安全性。通常有 单击目录，两级目录和多级目录。  
**单级目录**:只建立一张目录表，每个文件占有一个目录项。访问时，先按文件名在该目录中 找到对应的 FCB。单级目录实现了“按名存取”但是，查找速度慢，不允许重名，不便于实现 文件共享。  
**两级目录**:优点:提高了检索目录的速度;在不同用户名的目录中，可以使用相同文件名; 不同用户可以使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。  
**多级目录文件(树形目录文件)**:优点:可以很方便的对文件进行分类，层次结构清晰，能 有效的进行文件的管理和保护。但是在树形文件中，查找一个文件时，需要按路径名逐级访 问，增加了磁盘访问次数，影响查询速度。

#### (9)文件共享和保护 ####

文件共享是多个用户共享同一文件，系统只要保留该文件的一个副本。  
文件共享方法:  
1)基于索引结点的共享方式(硬链接)  
2)利用符号链实现文件共享(软 连接)  
文件保护:文件保护通过口令保护，加密保护，访问控制等方式实现。口令保护和加密保护 是为了防止用户文件被他人存取或窃取，访问控制是控制用户对文件的访问方式。  
检查点:主要目的是对事务记录表中的事务记录清理工作经常化。

### 7.操作系统接口 ###

#### (1)操作系统接口类型 ####

1)用户接口  
2)程序接口，是程序能取得操作系统服务的唯一途径，大多数程序接口由一 组系统调用组成。

#### (2)系统调用概念 ####

一方面由于系统提供保护机制，防止程序至直接调用操作系统得过程，从而避免不安全性， 另一方面，应用程序必须取得操作系统提供的服务。为此，操作系统提供系统调用，使应用 程序通过提供系统调用的方法，间接调用操作系统的相关过程。

#### (3)系统调用的类型和实现方法 ####

类型:进程控制类系统调用、文件操纵类系统调用、进程通信类系统调用。  
实现:熟读课本相关知识。

[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_43347550/article/details/106501957
[Link 2]: https://blog.csdn.net/weixin_43347550/article/details/106543403