一、操作系統(tǒng)概述

1.1 操作系統(tǒng)的定義與目標(biāo)

定義：操作系統(tǒng)是控制管理計算機(jī)系統(tǒng)的硬軟件，分配調(diào)度資源的系統(tǒng)軟件。

目標(biāo)：方便性，有效性（提高系統(tǒng)資源的利用率、提高系統(tǒng)的吞吐量），可擴(kuò)充性，開放性。

1.2 操作系統(tǒng)的基本功能

1. 統(tǒng)一管理計算機(jī)資源：處理器資源，IO設(shè)備資源，存儲器資源，文件資源;

2. 實現(xiàn)了對計算機(jī)資源的抽象：IO設(shè)備管理軟件提供讀寫接口，文件管理軟件提供操作文件接;

3. 提供了用戶與計算機(jī)之間的接口：GUI（圖形用戶界面），命令形式，系統(tǒng)調(diào)用形式。

1.3 操作系統(tǒng)的特征

最基本的特征，互為存在條件：并發(fā)，共享；

（1）并行：指兩個或多個事件可以在同一個時刻發(fā)生，多核CPU可以實現(xiàn)并行，一個cpu同一時刻只有一個程序在運(yùn)行；

（2）并發(fā)：指兩個或多個事件可以在同一個時間間隔發(fā)生，用戶看起來是每個程序都在運(yùn)行，實際上是每個程序都交替執(zhí)行。

（3）共享性：操作系統(tǒng)的中資源可供多個并發(fā)的程序共同使用，這種形式稱之為資源共享。

• 互斥共享：當(dāng)資源被程序占用時，其它想使用的程序只能等待。

• 同時訪問：某種資源并發(fā)的被多個程序訪問。

虛擬和異步特性前提是具有并發(fā)性。

（4）虛擬性：表現(xiàn)為把一個物理實體轉(zhuǎn)變?yōu)槿舾蓚€邏輯實體。

• 時分復(fù)用技術(shù)：資源在時間上進(jìn)行復(fù)用，不同程序并發(fā)使用，多道程序分時使用計算機(jī)的硬件資源，提高資源的利用率。

• 空分復(fù)用技術(shù)：用來實現(xiàn)虛擬磁盤（物理磁盤虛擬為邏輯磁盤，電腦上的C盤、D盤等）、虛擬內(nèi)存（在邏輯上擴(kuò)大程序的存儲容量）等，提高資源的利用率，提高編程效率。

（5）異步性：在多道程序環(huán)境下，允許多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，但由于資源等因素的限制，使進(jìn)程的執(zhí)行以“停停走走”的方式運(yùn)行，而且每個進(jìn)程執(zhí)行的情況（運(yùn)行、暫停、速度、完成）也是未知的。

1.4 操作系統(tǒng)的中斷處理

中斷機(jī)制的作用：為了在多道批處理系統(tǒng)中讓用戶進(jìn)行交互；

中斷產(chǎn)生：

• 發(fā)生中斷時，CPU立馬切換到管態(tài)，開展管理工作；（管態(tài)又叫特權(quán)態(tài)，系統(tǒng)態(tài)或核心態(tài)，是操作系統(tǒng)管理的程序執(zhí)行時，機(jī)器所處的狀態(tài)。）

• 發(fā)生中斷后，當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程回暫停運(yùn)行，由操作系統(tǒng)內(nèi)核對中斷進(jìn)行處理；

• 對于不同的中斷信號，會進(jìn)行不同的處理。

中斷的分類：

1. 內(nèi)中斷（也叫“異常”、“例外”、“陷入”）------- 信號來源：CPU內(nèi)部，與當(dāng)前執(zhí)行指令有關(guān)；

2. 外中斷（中斷）----------信號來源：CPU外部，與當(dāng)前執(zhí)行指令無關(guān)。

外中斷的處理過程：

1. 每執(zhí)行完一個指令后，CPU都需要檢查當(dāng)前是否有外部中斷 信號；

2. 如果檢查到外部中斷信號，則需要保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境（如程序狀態(tài)字PSW，程序計數(shù)器PC、各種通用寄存器）把他們存儲在PCB（進(jìn)程控制塊中）；

3. 根據(jù)中斷信號類型轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序；

4. 恢復(fù)原進(jìn)程的CPU環(huán)境并退出中斷，返回原進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。

二、進(jìn)程管理

2.1 進(jìn)程管理之進(jìn)程實體

為什么需要進(jìn)程：

1. 進(jìn)程是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位；

2. 進(jìn)程作為程序獨(dú)立運(yùn)行的載體保障程序正常執(zhí)行；

3. 進(jìn)程的存在使得操作系統(tǒng)資源的利用率大幅提升。

進(jìn)程控制塊（PCB）：用于描述和控制進(jìn)程運(yùn)行的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),記錄進(jìn)程當(dāng)前狀態(tài)和控制進(jìn)程運(yùn)行的全部信息，是進(jìn)程存在的唯一標(biāo)識。

進(jìn)程（Process）與線程（Thread）：

• 線程：操作系統(tǒng)進(jìn)行**運(yùn)行調(diào)度的最小單位**。

• 進(jìn)程：系統(tǒng)進(jìn)行**資源分配和調(diào)度的基本單位**。

區(qū)別與聯(lián)系：

1. 一個進(jìn)程可以有一個或多個線程；

2. 線程包含在進(jìn)程之中，是進(jìn)程中實際運(yùn)行工作的單位；

3. 進(jìn)程的線程共享進(jìn)程資源；

4. 一個進(jìn)程可以并發(fā)多個線程，每個線程執(zhí)行不同的任務(wù)。

2.2 進(jìn)程管理之五狀態(tài)模型

就緒狀態(tài)：其它資源（進(jìn)程控制塊、內(nèi)存、棧空間、堆空間等）都準(zhǔn)備好、只差CPU的狀態(tài)。

執(zhí)行狀態(tài)：進(jìn)程獲得CPU，其程序正在執(zhí)行。

阻塞狀態(tài)：進(jìn)程因某種原因放棄CPU的狀態(tài)，阻塞進(jìn)程以隊列的形式放置。

創(chuàng)建狀態(tài)：創(chuàng)建進(jìn)程時擁有PCB但其它資源尚未就緒。

終止?fàn)顟B(tài)：進(jìn)程結(jié)束由系統(tǒng)清理或者歸還PCB的狀態(tài)。

2.3 進(jìn)程管理之進(jìn)程同步

生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題：有一群生產(chǎn)者進(jìn)程在生產(chǎn)產(chǎn)品，并將這些產(chǎn)品提供給消費(fèi)者進(jìn)程進(jìn)行消費(fèi)，生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程可以并發(fā)執(zhí)行，在兩者之間設(shè)置了一個具有n個緩沖區(qū)的緩沖池，生產(chǎn)者進(jìn)程需要將所生產(chǎn)的產(chǎn)品放到緩沖區(qū)中（+1操作），消費(fèi)者進(jìn)程可以從緩沖區(qū)取走產(chǎn)品消費(fèi)（-1操作）。

產(chǎn)生問題：當(dāng)兩者并發(fā)執(zhí)行時可能出差錯，導(dǎo)致預(yù)期的結(jié)果與真實的結(jié)果不相符：當(dāng)執(zhí)行生產(chǎn)者+1和消費(fèi)者-1操作之后，緩沖區(qū)的值從10變?yōu)榱?1。

哲學(xué)家進(jìn)餐問題：有5個哲學(xué)家，他們的生活方式是交替的思考和進(jìn)餐，哲學(xué)家們共同使用一張圓桌，分別坐在5張椅子上，圓桌上有5只碗和5只筷子。平時哲學(xué)家們只進(jìn)行思考，饑餓時則試圖取靠近他們的左右兩只筷子，只有兩只筷子都被拿到的時候才能進(jìn)餐，否則等待，進(jìn)餐完畢后，放下左右筷子進(jìn)行思考。

這會導(dǎo)致以下的問題，筷子就相當(dāng)于臨界資源：

臨界資源指的是一些雖作為共享資源卻又無法同時被多個線程共同訪問的共享資源。當(dāng)有進(jìn)程在使用臨界資源時，其他進(jìn)程必須依據(jù)操作系統(tǒng)的同步機(jī)制等待占用進(jìn)程釋放該共享資源才可重新競爭使用共享資源。

進(jìn)程同步的作用：對競爭資源在多進(jìn)程間進(jìn)行使用次序的協(xié)調(diào)，使得并發(fā)執(zhí)行的多個進(jìn)程之間可以有效使用資源和相互合作。

進(jìn)程間同步的四原則：

1. 空閑讓進(jìn)：資源無占用，允許使用；

2. 忙則等待：資源被占用，請求進(jìn)程等待；

3. 有限等待：保證有限等待時間能夠使用資源；

4. 讓權(quán)等待：等待時，進(jìn)程需要讓出CPU。

2.3.1進(jìn)程同步的方法（重要）

1.使用fork系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建進(jìn)程：使用fork系統(tǒng)調(diào)用無參數(shù)，fork會返回兩次，分別返回子進(jìn)程id和0，返回子進(jìn)程id的是父進(jìn)程，返回0的是子進(jìn)程。

• fork系統(tǒng)調(diào)用是用于創(chuàng)建進(jìn)程的；

• fork創(chuàng)建的進(jìn)程初始化狀態(tài)與父進(jìn)程一樣；

• 系統(tǒng)會為fork的進(jìn)程分配新的資源

2.共享內(nèi)存：在某種程度上，多進(jìn)程是共同使用物理內(nèi)存的，但是由于操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理，進(jìn)程間的內(nèi)存空間是獨(dú)立的，因此進(jìn)程默認(rèn)是不能訪問進(jìn)程空間之外的內(nèi)存空間的。

• 共享存儲允許不相關(guān)的進(jìn)程訪問同一片物理內(nèi)存；

• 共享內(nèi)存是兩個進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)最快的方式；

• 共享內(nèi)存未提供同步機(jī)制，需要借助其他機(jī)制管理訪問；

3.Unix域套接字

域套接字是一種高級的進(jìn)程間通信的方法，可以用于同一機(jī)器進(jìn)程間通信。

套接字（socket）：為網(wǎng)絡(luò)通信中使用的術(shù)語。

Unix系統(tǒng)提供的域套接字提供了網(wǎng)絡(luò)套接字類似的功能，如Nfinx、uWSGI等。

服務(wù)端和客戶端分別使用Unix域套接字的過程：

2.3.2 線程同步的方法（重要）

線程同步的方法：

1.互斥鎖：互斥鎖是最簡單的線程同步的方法，也稱為互斥量，處于兩態(tài)之一的變量：解鎖和加鎖，兩個狀態(tài)可以保證資源訪問的串行。原子性：指一系列操作不可被中斷的特性，要么全部執(zhí)行完成，要么全部沒有執(zhí)行。

2.自旋鎖：自旋鎖是一種多線程同步的變量，使用自旋鎖的線程會反復(fù)檢查鎖變量是否可用，自旋鎖不會讓出CPU，是一種忙等待狀態(tài)，即死循環(huán)等待鎖被釋放，自旋鎖的效率遠(yuǎn)高于互斥鎖。特點(diǎn)：避免了進(jìn)程或者線程上下文切換的開銷，但是不適合在單核CPU使用。

3.讀寫鎖：是一種特殊的自旋鎖，允許多個讀操作同時訪問資源以提高讀性能，但是對寫操作是互斥的，即**對多讀少寫的操作效率提升**很顯著。

4.條件變量：是一種相對比較復(fù)雜的線程同步方法，條件變量允許線程睡眠，直到滿足某種條件，當(dāng)**滿足條件時，可以給該線程信號通知喚醒**。

2.3.3 線程同步方法對比（重要）

2.4 Linux的進(jìn)程管理

進(jìn)程的類型：

1. 前臺進(jìn)程：具有終端，可以和用戶交互；

2. 后臺進(jìn)程：沒有占用終端，基本不和用戶交互，優(yōu)先級比前臺進(jìn)程低（將需要執(zhí)行的命令以“&”符號結(jié)束）；

3. 守護(hù)進(jìn)程：特殊的后臺進(jìn)程，在系統(tǒng)引導(dǎo)時啟動，一直運(yùn)行直到系統(tǒng)關(guān)閉（進(jìn)程名字以“d”結(jié)尾的一般都是守護(hù)進(jìn)程），如crond、sshd、httpd、mysqld…

進(jìn)程的標(biāo)記：

1. 進(jìn)程ID：非負(fù)整數(shù)，進(jìn)程的唯一標(biāo)記，每個進(jìn)程擁有不同的ID；

2. 進(jìn)程的狀態(tài)標(biāo)記：R表示進(jìn)程處于運(yùn)行狀態(tài)，S表示進(jìn)程處于睡眠狀態(tài)…

操作Linux進(jìn)程的相關(guān)命令：

1. ps命令：列出當(dāng)前的進(jìn)程，結(jié)合-aux可以打印進(jìn)程的詳細(xì)信息（ps -aux）；

2. top命令：查看所有進(jìn)程的狀態(tài)；

3. kill命令：給進(jìn)程發(fā)送信號。

三、作業(yè)管理

3.1 作業(yè)管理之進(jìn)程調(diào)度

定義：指計算機(jī)通過決策決定哪個就緒進(jìn)程可以獲得CPU使用權(quán)。

什么時候需要進(jìn)程調(diào)度？

1. 主動放棄：進(jìn)程正常終止；運(yùn)行過程中發(fā)生異常而終止；主動阻塞（如等待I/O）；

2. 被動放棄：分給進(jìn)程的時間片用完；有更高優(yōu)先級的進(jìn)程進(jìn)入就緒隊列；有更緊急的事情需要處理（如I/O中斷）；

進(jìn)程調(diào)度方式：

非搶占式調(diào)度：只能由當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程主動放棄CPU；

• 處理器一旦分配給某個進(jìn)程，就讓該進(jìn)程一直使用下去；

• 調(diào)度程序不以任何原因搶占正在被使用的處理器；

• 調(diào)度程序不以任何原因搶占正在被使用的處理器；

搶占式調(diào)度：可由操作系統(tǒng)剝奪當(dāng)前進(jìn)程的CPU使用權(quán)。

• 允許調(diào)度程序以一定的策略暫停當(dāng)前運(yùn)行的進(jìn)程；

• 保存好舊進(jìn)程的上下文信息，分配處理器給新進(jìn)程；

進(jìn)程調(diào)度的三大機(jī)制：

就緒隊列的排隊機(jī)制：為了提高進(jìn)程調(diào)度的效率，將就緒進(jìn)程按照一定的方式排成隊列，以便調(diào)度程序可以最快找到就緒進(jìn)程。

選擇運(yùn)行進(jìn)程的委派機(jī)制：調(diào)度程序以一定的策略，選擇就緒進(jìn)程，將CPU資源分配給它。

新老進(jìn)程的上下文切換機(jī)制：保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文信息，裝入被委派執(zhí)行進(jìn)程的運(yùn)行上下文。

進(jìn)程調(diào)度算法：

1. 先來先服務(wù)算法：按照在就緒隊列中的先后順序執(zhí)行。

2. 短進(jìn)程優(yōu)先調(diào)度算法：優(yōu)先選擇就緒隊列中估計運(yùn)行時間最短的進(jìn)程，不利于長作業(yè)進(jìn)程的執(zhí)行。

3. 高優(yōu)先權(quán)優(yōu)先調(diào)度算法：進(jìn)程附帶優(yōu)先權(quán)，優(yōu)先選擇權(quán)重高的進(jìn)程，可以使得緊迫的任務(wù)優(yōu)先處理。

4. 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法：按照FIFO的原則排列就緒進(jìn)程，每次從隊列頭部取出待執(zhí)行進(jìn)程，分配一個時間片執(zhí)行，是相對公平的調(diào)度算法，但是不能保證就是響應(yīng)用戶。

3.2 作業(yè)管理之死鎖

3.2.1 進(jìn)程死鎖、饑餓、死循環(huán)的區(qū)別：

死鎖：兩個或兩個以上的進(jìn)程在執(zhí)行過程中，由于競爭資源或者由于彼此通信而造成的一種阻塞的現(xiàn)象，若無外力作用，它們都將無法推進(jìn)下去。永遠(yuǎn)在互相等待的進(jìn)程稱為死鎖進(jìn)程。

饑餓：由于長期得不到資源導(dǎo)致進(jìn)程無法推進(jìn)；

死循環(huán)：代碼邏輯BUG。

死鎖的產(chǎn)生：競爭資源（共享資源數(shù)量不滿足各進(jìn)程需求）、進(jìn)程調(diào)度順序不當(dāng)，當(dāng)調(diào)度順序為A->B->C->D時會產(chǎn)生死鎖，但改為A->D->B->C則不會產(chǎn)生。

死鎖的四個必要條件：

1. 互斥條件：必須互斥使用資源才會產(chǎn)生死鎖；

2. 請求保持條件：進(jìn)程至少保持一個資源，又提出新的資源請求，新資源被占用，請求被阻塞，被阻塞的進(jìn)程不釋放自己保持的資源；

3. 不可剝奪條件：進(jìn)程獲得的資源在未完成使用前不能被剝奪（包括OS），只能由進(jìn)程自身釋放；

4. 環(huán)路等待條件：發(fā)生死鎖時，必然存在進(jìn)程-資源環(huán)形鏈,環(huán)路等待不一定造成死鎖，但是死鎖一定有循環(huán)等待。

死鎖的處理策略：

一.預(yù)防死鎖的方法：破壞四個必要條件的中一個或多個。

1. 破壞互斥條件：將臨界資源改造成共享資源（Spooling池化技術(shù)）；（可行性不高，很多時候無法破壞互斥條件）

2. 破壞請求保持條件：系統(tǒng)規(guī)定進(jìn)程運(yùn)行之前，一次性申請所有需要的資源；（資源利用率低，可能導(dǎo)致別的線程饑餓）

3. 破壞不可剝奪條件：當(dāng)一個進(jìn)程請求新的資源得不到滿足時，必須釋放占有的資源；（實現(xiàn)復(fù)雜，剝奪資源可能導(dǎo)致部分工作失效，反復(fù)申請和釋放造成額外的系統(tǒng)開銷）

4. 破壞環(huán)路等待條件：可用資源線性排序，申請必須按照需要遞增申請；（進(jìn)程實際使用資源順序和編號順序不同，會導(dǎo)致資源浪費(fèi)）

二.銀行家算法：檢查當(dāng)前資源剩余是否可以滿足某個進(jìn)程的最大需求；如果可以，就把該進(jìn)程加入安全序列，等待進(jìn)程允許完成，回收所有資源；重復(fù)1，2，直到當(dāng)前沒有線程等待資源；

三.死鎖的檢測和解除：死鎖檢測算法，資源剝奪法，撤銷進(jìn)程法（終止進(jìn)程法），進(jìn)程回退法；

四、存儲管理

存儲管理為了確保計算機(jī)有足夠的內(nèi)存處理數(shù)據(jù)；確保程序可以從可用內(nèi)存中獲取一部分內(nèi)存使用；確保程序可以歸還使用后的內(nèi)存以供其他程序使用。

4.1 存儲管理之內(nèi)存分配與回收

內(nèi)存分配的過程：單一連續(xù)分配（已經(jīng)過時）、固定分區(qū)分配、動態(tài)分區(qū)分配（根據(jù)實際需要，動態(tài)的分配內(nèi)存）。 動態(tài)分區(qū)分配算法：

1. 首次適應(yīng)算法：分配內(nèi)存時，從開始順序查找適合內(nèi)存區(qū)，若無合適內(nèi)存區(qū)，則分配失敗，每次從頭部開始，使得頭部地址空間不斷被劃分；

2. 最佳適應(yīng)算法：要求空閑區(qū)鏈表按照容量大小排序，遍歷以找到最佳適合的空閑區(qū)（會留下越來越多的內(nèi)部碎片）。

3. 快速適應(yīng)算法：要求有多個空閑區(qū)鏈表，每個空閑區(qū)鏈表存儲一種容量的空閑區(qū)。

內(nèi)存回收的過程：

1. 回收區(qū)在空閑區(qū)下方：不需要新建空閑鏈表節(jié)點(diǎn)；只需要把空閑區(qū)1的容量增大即可；

2. 回收區(qū)在空閑區(qū)上方：將回收區(qū)與空閑區(qū)合并；新的空閑區(qū)使用回收區(qū)的地址；

3. 回收區(qū)在空閑區(qū)中間方：將空閑區(qū)1、空閑區(qū)2和回收區(qū)合并；新的空閑區(qū)使用空閑區(qū)1的地址；

4. 僅僅剩余回收區(qū)：為回收區(qū)創(chuàng)建新的空閑節(jié)點(diǎn)；插入到相應(yīng)的空閑區(qū)鏈表中去；

4.2 存儲管理之段頁式存儲管理

頁式存儲管理：將進(jìn)程邏輯空間等分成若干大小的頁面，相應(yīng)的把物理內(nèi)存空間分成與頁面大小的物理塊，以頁面為單位把進(jìn)程空間裝進(jìn)物理內(nèi)存中分散的物理塊。

頁面大小應(yīng)該適中，過大難以分配，過小內(nèi)存碎片過多；頁面大小通常是512B~8K；

現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，可以支持非常大的邏輯地址空間(232~264)，具有32位邏輯地址空間的分頁系統(tǒng)，規(guī)定頁面大小為4KB，則在每個進(jìn)程頁表中的頁表項可達(dá)1M(2個20)個，如果每個頁表項占用1Byte，故每個進(jìn)程僅僅頁表就要占用1MB的內(nèi)存空間。

段式存儲管理：將進(jìn)程邏輯空間分成若干段（不等分），段的長度由連續(xù)邏輯的長度決定。

頁式和者段式存儲管理相比：

1. 段式存儲和頁式存儲都離散地管理了進(jìn)程的邏輯空間；

2. 頁是物理單位，段是邏輯單位；

3. 分頁是為了合理利用空間，分段是滿足用戶要求頁大小由硬件固定，段長度可動態(tài)變化；

4. 頁表信息是一維的，段表信息是二維的；

段頁式存儲管理：現(xiàn)將邏輯空間按照段式管理分成若干段，再將內(nèi)存空間按照頁式管理分成若干頁，分頁可以有效提高內(nèi)存利用率，分段可以更好的滿足用戶需求。

4.3 存儲管理之虛擬內(nèi)存

虛擬內(nèi)存概述：是操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的關(guān)鍵技術(shù)，使得多道程序運(yùn)行和大程序運(yùn)行成為現(xiàn)實，把程序使用內(nèi)存劃分，將部分暫時不使用的內(nèi)存放置在輔存，實際是對物理內(nèi)存的擴(kuò)充。

局部性原理：指CPU訪問存儲器時，無論是存取指令還是存取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲單元都趨于聚集在一個較小的連續(xù)區(qū)域中。

虛擬內(nèi)存的置換算法：先進(jìn)先出（FIFO）、最不經(jīng)常使用（LFU）、最近最少使用（LRU）

虛擬內(nèi)存的特征：

• 多次性：無需再作業(yè)運(yùn)行時一次性全部裝入內(nèi)存，而是允許被分成多次調(diào)入內(nèi)存；

• 對換性：無需在作業(yè)運(yùn)行時一直常駐內(nèi)存，而是允許在作業(yè)運(yùn)行過程中，將作業(yè)換入、換出；

• 虛擬性：從邏輯上擴(kuò)充了內(nèi)存的容量，使用戶看到的內(nèi)存用來，遠(yuǎn)大于實際的容量；

4.4 Linux的存儲管理

Buddy內(nèi)存管理算法：經(jīng)典的內(nèi)存管理算法，為解決內(nèi)存外碎片的問題，算法基于計算機(jī)處理二進(jìn)制的優(yōu)勢具有極高的效率。

Linux交換空間：交換空間（Swap）是磁盤的一個分區(qū)，Linux內(nèi)存滿時，會把一些內(nèi)存交換至Swap空間，Swap空間是初始化系統(tǒng)時配置的。

Swap空間與虛擬內(nèi)存的對比：

五、文件管理

5.1 操作系統(tǒng)的文件管理

文件的邏輯結(jié)構(gòu)：

• 邏輯結(jié)構(gòu)的文件類型：有結(jié)構(gòu)文件（文本文件，文檔，媒體文件）、無結(jié)構(gòu)文件（二進(jìn)制文件、鏈接庫）。

• 順序文件：按順序放在存儲介質(zhì)中的文件，在邏輯文件當(dāng)中存儲效率最高，但不適合存儲可變長文件。

• 索引文件：為解決可變長文件存儲而發(fā)明，需要配合索引表存儲。

輔存的存儲空間分配：

• 輔存的分配方式：連續(xù)分配（讀取文件容易，速度快）、鏈接分配（隱式鏈接和顯式鏈接）、索引分配

• 輔存的存儲空間管理：空閑表、空閑鏈表、位示圖。

目錄樹：使得任何文件或目錄都有唯一的路徑。

Linux文件的基本操作：參考鏈接

Linux的文件系統(tǒng)：FAT、NTFS（對FAT進(jìn)行改進(jìn)）、EXT2/3/4（擴(kuò)展文件系統(tǒng)，Linux的文件系統(tǒng)）

六、設(shè)備管理

I/O設(shè)備的基本概念：將數(shù)據(jù)輸入輸出計算機(jī)的外部設(shè)備；

廣義的IO設(shè)備：

• 按照使用特性分類：存儲設(shè)備（內(nèi)存、磁盤、U盤）和交互IO設(shè)備（鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)）；

• 按照信息交換分類：塊設(shè)備（磁盤、SD卡）和字符設(shè)備（打印機(jī)、shell終端）；

• 按照設(shè)備共享屬性分類：獨(dú)占設(shè)備，共享設(shè)備，虛擬設(shè)備；

• 按照傳輸速率分類：低速設(shè)備，高速設(shè)備；

IO設(shè)備的緩沖區(qū)：減少CPU處理IO請求的頻率，提高CPU與IO設(shè)備之間的并行性。

SPOOLing技術(shù)：虛擬設(shè)備技術(shù)，把同步調(diào)用低速設(shè)備改為異步調(diào)用，在輸入、輸出之間增加了排隊轉(zhuǎn)儲環(huán)節(jié)(輸入井、輸出井)，SPoOLing負(fù)責(zé)輸入（出）井與低速設(shè)備之間的調(diào)度，邏輯上，進(jìn)程直接與高速設(shè)備交互，減少了進(jìn)程的等待時間。

七、實現(xiàn)支持異步任務(wù)的線程池

線程池：線程池是存放多個線程的容器，CPU調(diào)度線程執(zhí)行后不會銷毀線程，將線程放回線程池重新利用。

使用線程池的原因：

1. 線程是稀缺資源 ，不應(yīng)該頻繁創(chuàng)建和銷毀；

2. 架構(gòu)解耦，業(yè)務(wù)創(chuàng)建和業(yè)務(wù)處理解耦，更加優(yōu)雅；

3. 線程池是使用線程的最佳實踐。

實現(xiàn)線程安全的隊列Queue

• 隊列：用于存放多個元素，是存放各種元素的“池”。

• 實現(xiàn)的基本功能：獲取當(dāng)前隊列元素數(shù)量，往隊列放入元素，往隊列取出元素。

• 注意：隊列可能有多個線程同時操作，因此需要保證線程安全，如下兩種情況：

實現(xiàn)基本任務(wù)對象Task

實現(xiàn)的基本功能：任務(wù)參數(shù)，任務(wù)唯一標(biāo)記（UUID），任務(wù)具體的執(zhí)行邏輯

實現(xiàn)任務(wù)處理線程ProcessThread：任務(wù)處理線程需要不斷地從任務(wù)隊列里取任務(wù)執(zhí)行，任務(wù)處理線程需要有一個標(biāo)記，標(biāo)記線程什么時候應(yīng)該停止。

實現(xiàn)的基本功能：基本屬性（任務(wù)隊列、標(biāo)記），線程執(zhí)行的邏輯（run），線程停止（stop）。

實現(xiàn)任務(wù)處理線程池Pool：存放多個任務(wù)處理線程，負(fù)責(zé)多個線程的啟停，管理向線程池的提交任務(wù)，下發(fā)給線程去執(zhí)行。

實現(xiàn)的基本過程：基本屬性，提交任務(wù)（put，batch_put），線程啟停（start，join），線程池大?。╯ize）。

實現(xiàn)異步任務(wù)處理AsyncTask：給任務(wù)添加一個標(biāo)記，任務(wù)完成后，則標(biāo)記為完成；任務(wù)完成時可直接獲取任務(wù)運(yùn)行結(jié)果；任務(wù)未完成時，獲取任務(wù)結(jié)果，會阻塞獲取線程。

主要實現(xiàn)的兩個函數(shù)：設(shè)置運(yùn)行結(jié)果（set_result），獲取運(yùn)行結(jié)果（get_result)