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操作系统复习（八）

存贮管理的方式

操作系统的存储管理（内存管理）方法，核心目的是高效、安全地分配内存，并解决“多道程序如何共存”的问题。其演进主要分为连续分配、非连续分配和虚拟存储三大类别。

以下是各类方法的详细梳理：

一、连续分配方式（物理地址必须连续）

这是早期的分配方式，要求进程在内存中占据一片连续的空间。

• 单一连续分配：内存仅分给用户区（一个程序）和系统区。极简，无碎片，但内存利用率极低，仅适用于单任务系统。
• 固定分区分配：将用户内存划分为若干个固定大小的分区，每个分区装入一个程序。实现简单、开销小，但存在内部碎片（分区内未被用完的空间），且分区数量固定，并发度受限。
• 动态分区分配（可变分区）：根据进程实际需求动态划分内存。无内部碎片，但会产生外部碎片（内存中无法利用的小空闲区）。为了解决碎片，需引入紧凑（拼接）技术，但会消耗大量CPU时间。常用分配算法有：首次适应（FF）、最佳适应（BF，会产生很多微小碎片）、最坏适应（WF）和邻近适应（NF）。

二、非连续分配方式（物理地址可以不连续）

允许进程的各个部分分散装入内存中不相邻的物理块，大幅提高内存利用率，是现代OS的基础。

• 分页存储管理：
  • 核心：将进程逻辑空间和物理内存都划分为等大的页（Page）和页框（Frame）。通过页表将逻辑页号映射到物理块号。
  • 特点：无外部碎片，仅有少量内部碎片（最后一页未满），地址转换依赖MMU（内存管理单元）。但页表本身可能占用较大内存（需用多级页表或快表TLB加速）。
• 分段存储管理：
  • 核心：按照程序的自然逻辑结构（如代码段、数据段、堆栈段）划分，每段长度可变。地址由段号 + 段内地址组成，通过段表映射。
  • 特点：方便共享和保护（按段设置权限），符合编程视角。但物理空间仍是连续的，会产生外部碎片，且段表查找开销较大。
• 段页式存储管理：
  • 核心：结合分段和分页。用户程序先按逻辑分段，每段内部再分页。地址需经过“段表 (\rightarrow) 页表 (\rightarrow) 物理地址”的两次查找。
  • 特点：兼具分段的逻辑性和分页的物理离散性（无外部碎片），但硬件支持复杂，查表开销最大。

三、虚拟存储管理（基于非连续 + 交换技术）

它打破了“程序必须全部装入内存才能运行”的限制，利用局部性原理，仅将当前需要的部分装入内存，实现了“小内存运行大程序”。

• 请求分页/分段管理：在基本分页/分段基础上增加了缺页/缺段中断功能和页面置换机制。
• 核心工作流程：当访问的页面不在内存时，系统产生缺页中断，从磁盘调入；若内存已满，则调用页面置换算法换出旧页。
• 关键算法：
  • 最佳置换（OPT）：理想标杆，无法实现。
  • 先进先出（FIFO）：简单但性能差，存在Belady异常（分配页框多反而缺页多）。
  • 最近最久未使用（LRU）：硬件支持，性能较好，但实现开销大。
  • 时钟置换（CLOCK/NRU）：折中方案，用访问位和修改位循环扫描，被广泛使用。

总结对比

当前主流的通用操作系统（如 Linux、Windows）在底层物理内存管理上采用请求分页，而用户视角的模块管理借鉴分段思想（即段页式逻辑），配合复杂的页面置换算法来达到最佳性能。

RADI

RAID（Redundant Array of Independent Disks，独立磁盘冗余阵列）的核心思想是：将多个独立的物理磁盘组合成一个逻辑磁盘，从而在性能、容量和可靠性三者之间取得不同的平衡。

它的本质是用“空间换安全”或“数量换速度”。以下是核心级别解析：

1. 基础三要素

• 条带化（Striping）：将数据切割成小块，分散写入多块磁盘。提升速度（多盘并行读写），但无冗余。
• 镜像（Mirroring）：数据在写入主盘的同时，完整复制一份到备份盘。提升可靠性（坏一块盘没事），但容量利用率仅50%。
• 校验（Parity）：利用异或（XOR）算法，将校验码写入专用盘或分散在各盘中。当某块盘损坏时，可通过其他盘和校验码逆向计算恢复数据。兼顾容量和可靠性，但写入速度较慢。

2. 常用RAID级别详解

3. 关键专业术语补充

• 写惩罚（Write Penalty）：RAID 5/6 在写入小数据时，必须先读出旧数据、旧校验，再计算新校验，最后再写入数据+校验。这个过程涉及4次磁盘读写（读旧数据、旧校验、写新数据、新校验），导致写入速度严重下降。
• 重建风险（Rebuild Risk）：RAID 5坏一块盘后，系统需用剩余盘全盘扫描计算并重建。此过程磁盘压力极大，若恰好在重建时另一块盘也坏了（或遇到不可恢复的静默错误），将直接导致整个阵列崩溃。

4. 现状：软件RAID vs 硬件RAID

• 硬件RAID：独立RAID卡+专用缓存，不占用CPU，性能稳定，带电池保护，是企业服务器标配。
• 软件RAID：操作系统层面实现（如Linux的mdadm、Windows存储空间）。成本低、灵活，但消耗CPU资源。如今随着CPU性能过剩，软件RAID在云原生和普通服务器中越来越普及。

重要误区纠正

很多人误以为做了RAID就等于“备份”，这是错的。RAID只防“物理坏盘”，不防“逻辑灾难”（如误删文件、病毒加密、软件Bug覆盖数据）。因此，RAID + 定期离线备份才是数据安全的黄金法则。

SPOOLing系统

一、什么是SPOOLing系统？只是打印机的吗？

SPOOLing是Simultaneous Peripheral Operation On Line（联机外围设备同时操作）的缩写，通常译为“假脱机”。

它不仅仅是用于打印机的，但打印机是它最经典、最广为人知的应用场景。

• 核心思想：利用高速磁盘作为中间缓冲池（称为“输入井/输出井”），将一台独占设备（如打印机、读卡器）改造为逻辑上的共享设备。多个进程可以同时“使用”打印机，但实际上它们只是飞速地把数据写入磁盘的“输出井”，然后由系统后台进程（守护进程）按顺序慢慢从磁盘读取并送往打印机。
• 广泛应用：除了打印假脱机（Print Spooler），还包括电子邮件队列、网络数据包缓冲，以及大型机上的输入数据预读取等。

二、哪些程序执行时要访问“缓输出表”？

在SPOOLing系统中，“缓输出表”是一张核心管理表，专门用来记录输出井中各作业的状态、位置和属性（如作业ID、数据在磁盘上的存放地址、输出状态等）。

访问这张表的主要是两类程序：

1. 用户进程（或“输出请求生成模块”）

• 何时访问：当应用程序（如Word、记事本）执行打印操作时。
• 做什么：进程在系统调用的驱动下，先将打印数据高速写入磁盘的输出井。写入完成后，它需要访问“缓输出表”，在该表中登记或新增一条记录，注明“我的数据在磁盘的X位置，当前状态为‘待输出’”。
• 作用：完成逻辑上的“输出”动作，释放CPU，进程不再被阻塞。

2. 缓输出程序（即“输出守护进程 / Spooling输出进程”）

• 何时访问：系统后台周期性运行，或在CPU空闲时触发。
• 做什么：它定时扫描或查询“缓输出表”，查找表中状态为“待输出”的记录。
• 后续动作：找到待输出的作业后，它根据表中记录的磁盘地址，从输出井读取数据，并实际发送给物理打印机。打印完成后，它会再次访问缓输出表，将该条目的状态更新为“已完成”，或将该记录从表中删除，释放磁盘空间。

总结：
访问“缓输出表”的是发出打印请求的用户进程（用来写表登记作业）和负责物理打印的后台守护进程（用来查表调度作业并更新状态）。