内存管理
虚拟内存
每个程序拥有自己的地址空间，这个地址空间被分割成多个块，每一块称为一页。这些页被映射到物理内存，但不需要映射到连续的物理内存，也不需要所有页都必须在物理内存中。当程序引用到一部分不在物理内存中的地址空间时，由硬件执行必要的映射，将缺失的部分装入物理内存并重新执行失败的指令。
分页与分段
1. 分页
大部分虚拟内存系统都使用分页技术。把由程序产生的地址称为虚拟地址，它们构成了一个虚拟地址空间。例如有一台计算机可以产生 16 位地址，它的虚拟地址空间为 0~64K，然而计算机只有 32KB 的物理内存，因此虽然可以编写 64KB 的程序，但它们不能被完全调入内存运行。
虚拟地址空间划分成固定大小的页，在物理内存中对应的单元称为页框，页和页框大小通常相同，它们之间通过页表进行映射。
程序最开始只将一部分页调入页框中，当程序引用到没有在页框的页时，产生缺页中断，进行页面置换，按一定的原则将一部分页框换出，并将页调入。
2. 分段
上图为一个编译器在编译过程中建立的多个表，有 4 个表是动态增长的，如果使用分页系统的一维地址空间，动态增长的特点会导致覆盖问题的出现。
分段的做法是把每个表分成段，一个段构成一个独立的地址空间。每个段的长度可以不同，并且可以动态增长。
每个段都需要程序员来划分。
3. 段页式
用分段方法来分配和管理虚拟存储器。程序的地址空间按逻辑单位分成基本独立的段，而每一段有自己的段名，再把每段分成固定大小的若干页。
用分页方法来分配和管理实存。即把整个主存分成与上述页大小相等的存储块，可装入作业的任何一页。
程序对内存的调入或调出是按页进行的，但它又可按段实现共享和保护。
4. 分页与分段区别
对程序员的透明性：分页透明，但是分段需要程序员显示划分每个段。
地址空间的维度：分页是一维地址空间，分段是二维的。
大小是否可以改变：页的大小不可变，段的大小可以动态改变。
出现的原因：分页主要用于实现虚拟内存，从而获得更大的地址空间；分段主要是为了使程序和数据可以被划分为逻辑上独立的地址空间并且有助于共享和保护。
分页系统地址映射
- 内存管理单元（MMU）：管理着虚拟地址空间和物理内存的转换。
- 页表（Page table）：页（虚拟地址空间）和页框（物理内存空间）的映射表。例如下图中，页表的第 0 个表项为 010，表示第 0 个页映射到第 2 个页框。页表项的最后一位用来标记页是否在内存中。
下图的页表存放着 16 个页，这 16 个页需要用 4 个比特位来进行索引定位。因此对于虚拟地址（0010 000000000100），前 4 位是用来存储页面号，而后 12 位存储在页中的偏移量。
（0010 000000000100）根据前 4 位得到页号为 2，读取表项内容为（110 1），它的前 3 为为页框号，最后 1 位表示该页在内存中。最后映射得到物理内存地址为（110 000000000100）。
页面置换算法
在程序运行过程中，如果要访问的页面不在内存中，就发生缺页中断从而将该页调入内存中。此时如果内存已无空闲空间，系统必须从内存中调出一个页面到磁盘对换区中来腾出空间。
页面置换算法的主要目标是使页面置换频率最低（也可以说缺页率最低）。
1. 最佳
Optimal
所选择的被换出的页面将是最长时间内不再被访问，通常可以保证获得最低的缺页率。
是一种理论上的算法，因为无法知道一个页面多长时间不再被访问。
举例：一个系统为某进程分配了三个物理块，并有如下页面引用序列：
开始运行时，先将 7, 0, 1 三个页面装入内存。当进程要访问页面 2 时，产生缺页中断，会将页面 7 换出，因为页面 7 再次被访问的时间最长。
2. 先进先出
FIFO, First In First Out
所选择换出的页面是最先进入的页面。
该算法会将那些经常被访问的页面也被换出，从而使缺页率升高。
3. 最近最久未使用
LRU, Least Recently Used
虽然无法知道将来要使用的页面情况，但是可以知道过去使用页面的情况。LRU 将最近最久未使用的页面换出。
可以用栈来实现该算法，栈中存储页面的页面号。当进程访问一个页面时，将该页面的页面号从栈移除，并将它压入栈顶。这样，最近被访问的页面总是在栈顶，而最近最久未使用的页面总是在栈底。
4. 时钟
Clock
需要用到一个访问位，当一个页面被访问时，将访问位置为 1。
首先，将内存中的所有页面链接成一个循环队列，当缺页中断发生时，检查当前指针所指向页面的访问位，如果访问位为 0，就将该页面换出；否则将该页的访问位设置为 0，给该页面第二次的机会，移动指针继续检查。
五、设备管理
磁盘调度算法
当多个进程同时请求访问磁盘时，需要进行磁盘调度来控制对磁盘的访问。
磁盘调度的主要目标是使磁盘的平均寻道时间最少。
1. 先来先服务
FCFS, First Come First Served
根据进程请求访问磁盘的先后次序来进行调度。优点是公平和简单，缺点也很明显，因为未对寻道做任何优化，使平均寻道时间可能较长。
2. 最短寻道时间优先
SSTF, Shortest Seek Time First
要求访问的磁道与当前磁头所在磁道距离最近的优先进行调度。这种算法并不能保证平均寻道时间最短，但是比 FCFS 好很多。
3. 扫描算法
SCAN
SSTF 会出现饥饿现象。考虑以下情况，新进程请求访问的磁道与磁头所在磁道的距离总是比一个在等待的进程来的近，那么等待的进程会一直等待下去。
SCAN 算法在 SSTF 算法之上考虑了磁头的移动方向，要求所请求访问的磁道在磁头当前移动方向上才能够得到调度。因为考虑了移动方向，那么一个进程请求访问的磁道一定会得到调度。
当一个磁头自里向外移动时，移到最外侧会改变移动方向为自外向里，这种移动的规律类似于电梯的运行，因此又常称 SCAN 算法为电梯调度算法。
4. 循环扫描算法
CSCAN
CSCAN 对 SCAN 进行了改动，要求磁头始终沿着一个方向移动。
六、链接
编译系统
以下是一个 hello.c 程序：
#include <stdio.h>
int main()
{
printf("hello, world\n");
return 0;
}
在 Unix 系统上，由编译器把源文件转换为目标文件。
gcc -o hello hello.c
这个过程大致如下：
- 预处理阶段：处理以 # 开头的预处理命令；
- 编译阶段：翻译成汇编程序；
- 汇编阶段：将汇编程序翻译可重定向目标程序，它是二进制的；
- 链接阶段：将可重定向目标程序和 printf.o 等单独预编译好的目标文件进行合并，得到最终的可执行目标程序。
目标文件
- 可执行目标文件：可以直接在内存中执行；
- 可重定向目标文件：可与其他可重定向目标文件在链接阶段合并，创建一个可执行目标文件；
- 共享目标文件：可以在运行时被动态加载进内存并链接；
静态链接
静态连接器以一组可重定向目标文件为输入，生成一个完全链接的可执行目标文件作为输出。链接器主要完成以下两个任务：
- 符号解析：每个符号对应于一个函数、一个全局变量或一个静态变量，符号解析的目的是将每个符号引用与一个符号定义关联起来。
- 重定位：编译器和汇编器生成从地址 0 开始的代码和数据节，链接器通过把每个符号定义与一个内存位置关联起来，从而重定位这些节，然后修改所有对这些符号的引用，使得它们指向这个内存位置。
动态链接
静态库有以下两个问题：
- 当静态库更新时那么整个程序都要重新进行链接；
- 对于 printf 这种标准函数库，如果每个程序都要有代码，这会极大浪费资源。
共享库是为了解决静态库的这两个问题而设计的，在 Linux 系统中通常用 .so 后缀来表示，Windows 系统上它们被称为 DLL。它具有以下特点：
- 在给定的文件系统中一个库只有一个 .so 文件，所有引用该库的可执行目标文件都共享这个文件，它不会被复制到引用它的可执行文件中；
- 在内存中，一个共享库的 .text 节的一个副本可以被不同的正在运行的进程共享。
参考资料
- Tanenbaum A S, Bos H. Modern operating systems[M]. Prentice Hall Press, 2014.
- 汤子瀛, 哲凤屏, 汤小丹. 计算机操作系统[M]. 西安电子科技大学出版社, 2001.
- Bryant, R. E., & O’Hallaron, D. R. (2004). 深入理解计算机系统.
- Operating System Notes
- 进程间的几种通信方式
- Operating-System Structures
- Processes