Linux 的进程管理
进程的类型：
- 前台进程
- 后台进程
- 守护进程
前台进程
前台进程就是具有终端，可以和后台进程进行交互的进程
后台进程
与前台进程相对，没有占用终端的就是后台进程
后台程序不和用户进行交互，优先级比前台进程低
需要执行的命令以 & 符号结束
守护进程
守护进程是特殊的后台进程
很多守护进程在系统引导的时候启动，一直运行知道系统关闭
Linux有很多典型的守护进程
以d结尾的一般是守护进程
进程的标记：
进程ID
进程ID是进程的唯一标识符，每个进程拥有不同的id
进程id表现为一个非负整数，最大值由操作系统限定
父进程，子进程
父子进程关系可以通过pstree命令进行查看
Id 为0的进程为idle进程，是系统创建的第一个进程
id为1的进程为init进程，是0号进程的子进程，完成系统初始化
init进程是所有用户进程的祖先进程
进程的状态
进程的5个状态：创建，就绪，阻塞，执行，终止
常用linux命令： ps, top, kill
作业管理之进程调度
进程调度概述
进程调度是指计算机通过决策决定哪个就绪进程可以获得CPU使用权
也是多道程序设计
1.保留旧进程的运行信息，请出旧进程 （收拾包袱）
2.选择新进程，准备运行环境并分配CPU （新进驻）
进程调度包括：
1.就绪队列的排队机制
2. 选择运行进程的委派机制
3. 新老进程的上下文切换机制
就绪队列的排队机制
将就绪进程按照一定的方式排列成队列，以便调度程序可以最快找到就绪进程
选择运行进程的委派机制
调度程序以一定的策略选择就绪进程，将CPU资源分配给它
新老进程的上下文切换机制
保存当前进程的上下文信息，装入被委派执行进程的运行上下文。
进程的调度可以分为两大类：
- 非抢占式的调度
- 抢占式的调度
非抢占式的调度：
处理器一旦分配给某个进程，就让该进程一直使用下去
调度程序不以任何原因抢占正在被使用的处理器
直到进程完成工作或因为IO阻塞才会让出处理器
抢占式的调度：
允许调度程序以一定的策略暂停当前运行的进程
保存好旧进程的上下文信息，分配处理器给新进程
进程调度算法
- 先来先服务的调度算法
- 短进程优先调度算法
- 高优先权优先调度算法
- 时间片轮转调度算法
->先来先服务的调度算法
先调用就绪进程1，再调用就绪进程2…
->短进程优先调度算法
调度程序优先选择就绪队列中估计运行时间最短的进程
短进程优先调度算法不利于场作业进程的执行
->高优先权优先调度算法
进程附带优先权，调度程序优先选择权重高的进程
高优先权优先调度算法使得紧迫的任务可以优先处理
->时间片轮转调度算法
先来先服务原则，排队就绪进程
每次从队列头部取出执行进程，分配一个时间片去执行
是相对公平的调度算法，但不能保证及时响应用户
作业管理之死锁
->死锁
死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程成为死锁进程。
- 死锁的产生 (包括，死锁的四个必要条件)
- 死锁的处理
->死锁的产生
- 竞争资源
- 进程调度顺序不当
A. 竞争资源
共享资源数量不满足各个进程需求
各个进程之间发生资源进程导致死锁
B. 进程调度顺序不当
->死锁的四个必要条件
- 互斥条件
- 请求保持条件
- 不可剥夺条件
- 环路等待条件
->互斥条件
- 进程对资源的使用是排他性的使用
- 某资源只能由一个进程使用，其他进程需要使用只能等待
->请求保持条件
- 进程至少保持一个资源，又提出新的资源请求
- 新资源被占用，请求被阻塞
- 被阻塞的进程不释放自己保持的资源
->不可剥夺条件
- 进程获得的资源在未完成使用前不能被剥夺
- 获得的资源只能由进程自身释放
->环路等待条件
- 发生死锁时，必然存在进程-资源环形链
->死锁的处理
- 预防死锁的方法
- 银行家算法
->预防死锁的方法
破坏其中一个或几个死锁产生的必要条件
->摒弃请求保持条件
- 系统规定进程运行前，一次性申请所有需要的的资源
- 进程在运行期间不会提出资源请求，从而摒弃请求保持条件
->摒弃不可剥夺条件
- 当一个进程请求新的资源得不到满足时，必须释放占有的资源
- 进程运行时战友的资源可以被释放，意味着可以被剥夺
->摒弃环路等待条件
- 可用资源线性排序，申请必须按照需要递增申请
- 线性申请不再形成环路，从而摒弃了环路等待条件
->银行家算法
->策略基础：
- 客户申请的贷款是有限的，每次申请需要声明最大的资金量
- 银行家在能够满足贷款时，都应该给用户贷款
- 客户在使用贷款后，能够及时归还贷款
具体步骤:
->3个表
->做减法
存储管理只内存分配与回收
目的
- 确保计算机有足够的内存处理数据
- 确保程序可以从可用内存中获取一部分内存使用
- 确保程序可以归还使用后的内存以供其他程序使用
内存分配的过程
-> 单一连续分配
- 单一连续分配是最简单的内存分配方式
- 只能再单用户，单进程的操作系统中使用
-> 固定分区分配
- 固定分区分配是支持多道程序的最简单存储分配方式
- 内存空间被划分为若干固定大小的区域
- 每个分区只提供给一个程序使用，互不干扰
-> 动态分区分配
- 根据进程实际需要，动态分配内存空间
- 相关数据结构，分配算法
补充数据结构：
->空闲表数据结构
-> 动态分区空闲链数据结构
把空闲区，首尾相连，连接起来
- 节点续记录可存储的容量
->动态分区分配算法
- 首次适应算法 (FF算法)
- 最佳适应算法（BF算法）
- 快速适应算法（QF算法）
-> 首次适应算法，使用空闲链
- 分配内存时从开始顺序查找适合内存区
- 若没有合适的空闲区，则该分配失败
- 每次从头部开始，使得头部地址空间不断地被划分
->循环适应算法 （首次适应算法改进版）
- 从上一次检索结束的位置开始继续检索，不从头开始
-> 最佳适应算法
- 最佳适应算法要求空闲区链表按照容量大小排序
- 遍历空闲区链表找到最佳合适空闲区
-> 快速适应算法
- 快速适应算法要求有多个空闲区链表
- 每个空闲区链表存储一种容量的空闲区
内存回收的过程
Case 1:
- 不需要新建空闲链表节点
- 只需要把 空闲区1的容量增大为空闲区即可
Case 2:
- 将回收区与空闲区合并
- 新的空闲区使用回收区的地址
Case 3:
- 将空闲区1， 空闲区2， 和回收区合并
- 新的空闲区使用空闲区1的地址
Case 4:
- 为回收区创建新的空闲节点
- 插入到相应的空闲区链表中去
存储管理之段页式存储管理
页式存储管理
- 字块是相对物理设备的定义
- 页面则是相对逻辑空间的定义
- 讲进程逻辑空间等分成若干大小的页面
- 相应的把物理内存空间分成与页面大小的物理块
- 以页面为单位把进程空间装进物理内存中分散的物理块
页片大小，不适合太大，也不适合太小，太小的话内存碎片过多。
-> 页表
- 页表记录进程逻辑空间与屋里空间的映射
现代计算机系统中，可以支持非常大的逻辑地址空间， （2^ 32 ~ 2^ 64）, 这样，页表就变得非常大，要占用非常大的内存空间，如，具有32位逻辑地址空间的分页系统，规定页面大小为4KB， 则在每个进程页表中的页表项可达到1M (2^20) 个，如果每个页表项占用1Byte， 故每个进程仅仅页表就要占用1MB的内存空间。
32位系统进程的寻址空间为4G， 4G/4KB = 2^20
->多级页表
->缺点： 有一段连续的逻辑分部在多个页面中，将大大降低执行效率
段式存储管理
- 将进程逻辑空间划分成若干段
- 段的长度由连续逻辑的长度决定
- 主函数MAIN， 子程序段X， 子函数Y等
重点：
段式存储和页式存储都离散地管理了进程的逻辑空间
对比：
- 页是物理空间，段是逻辑空间
- 分页是为了合理利用空间，分段是满足用户要求
- 页大小由硬件固定，段长度可动态变化
- 页表信息是一维的，段表信息是二维的
段页式存储管理
- 分页可以有效提高内存利用率
- 分段可以更好满足用户需求
- 两者结合，形成段页式存储管理
主要思想：
- 先将逻辑空间按段式管理分成若干段
- 再把段内空间按页式管理分成若干页
存储管理的虚拟内存
虚拟内存概述
- 有些进程实际需要的内存很大，超过物理内存的容量
- 多道程序设计，使得每个进程可用物理内存更加稀缺
- 不可能无限增加物理内存，物理内存总有不够的时候
- 虚拟内存是操作系统内存管理的关键技术
- 使得多道程序运行和大程序运行成为现实
- 把程序使用内存划分，将部分暂时不适用的内存防止在辅存
程序的局部性原理
局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储但愿都趋于聚集在一个较小的连续区域中。
- 程序运行时，无需全部装入内存，装载部分即可
- 如果访问页不在内存，则发出缺页中断，发起页面置换
- 从用户层面看，程序拥有很大的空间，即是虚拟内存
虚拟内存实际是对物理内存的补充，速度接近于内存，成本接近于辅存
虚拟内存的置换算法
- 先进先出算法 FIFO
- 最不经常使用算法 LFU
- 最近最少使用算法 LRU
- 替换策略发生在Cache-主存层次、主存-辅存层次
- Cache- 主存层次的替换策略主要是为了解决速度问题
- 主存-辅存层次主要是为了解决容量问题
Linux的存储管理
Buddy内存管理算法
- Buddy算法是经典的内存管理算法
- 算法基于计算机处理二进制的优势具有极高的效率
- 算法主要是为了解决内存外碎片的问题
页内碎片：
内部碎片是已经被分配出去，能明确指出属于哪个进程，的内存空间大于请求所需的内存空间，不能被利用的内存空间就是内部碎片
页外碎片：
外部碎片是指还没分配出去，不属于任何进程，但是由于大小而无法分配给申请内存空间的新进程的内存空闲块。
->因此，Buddy内存管理算法的目的是：
努力让内存分配与相邻内存合并并能快速进行。
->伙伴系统
- 伙伴指的是内存的伙伴
- 一片连续内存的伙伴是相邻的另一片大小一样的连续内存
->规则：
- 向上取整为2的幂大小 ，例如，70k -> 128k, 129k -> 256k, 666k -> 1024k
具体流程：
- 创建一系列空闲块链表，每一种都是2的幂
- 回收刚才分配的内存
Note: 该视频6-10分钟，提供2个例子，说明如何分配，如何回收
意义：
- Buddy算法是经典的内存管理算法
- 算法基于计算机处理二进制的优势具有极高的效率
- 算法主要是为了解决内存外碎片的问题
Linux的交换空间
- 交换空间（swap）是磁盘的一个分区
- Linux物理内存存满时，会把一些内存交换至Swap空间
- Swap空间是初始化系统时配置的
- 冷启动内存依赖
- 系统睡眠依赖
- 大进程空间依赖
操作系统的文件管理
文件的逻辑结构
->逻辑结构文件分为
- 有结构文件
- 无结构文件
->有结构文件：
- 文件内容由定长记录和可变长记录组成
- 定长记录存储文件格式，文件描述等结构化数据线
- 可变长记录存储文件具体内容
Eg.
->无结构文件
- 也称为流式文件
- 文件内容长度以字节为单位， 如exe文件，dll文件，so文件
->顺序文件
- 顺序文件是按照顺序存放在存储介质中的文件
- 磁带的存储特性使得磁带文件只能存储顺序文件
- 顺序文件是所有逻辑文件当中存储效率最高的
->索引文件
- 可变长文件不适合使用顺序文件格式存储
- 索引文件是为了解决可变长文件存储而发明的一种文件格式
- 索引文件需要配合索引表完成存储的操作
Eg.
辅存的存储空间分配
->辅存的分配方式
- 连续分配
- 链接分配
- 索引分配
->连续分配
- 顺序读取文件内容非常容易，速度很快
- 对存储要求高，要求满足容量的连续存储空间
EG. 某个程序使用6个扇区
->链接分配
- 链接分配可以将文件存储在离散的盘块中
- 需要额外的存储空间存储文件的盘块链接顺序
隐式分配：
- 隐式分配的下一个链接指向存储在当前盘块内
- 隐式分配适合顺序访问，随机访问效率很低
显式分配
- 不支持高效的直接存储（FAT记录项多）
- 检索时FAT表占用较大的存储空间，需要将整个FAT加载到内存
索引分配
- 把文件的所有盘块集中存储
- 读取某个文件时，将文件索引读取进内存即可
- 每个文件拥有一个索引块，记录所有盘块信息
- 索引分配方式支持直接访问盘块
- 文件较大时，索引分配方式具有明显优势
->存储空间管理
- 空闲表
- 空闲链表
空闲表补充：
空闲链表：
- 空闲链表把所有的空闲盘区组成一个空闲链表
- 每个链表节点存储空间盘块和空闲的数目
位示图：
- 位示图维护成本很低
- 位示图可以非常容易找到空闲盘块
- 位示图使用0/1比特位，占用空间很小
目录管理
->目录树
目录管理：
- 任何文件或目录都只有唯一的路径
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