计算机操作系统存储管理

演讲人：日期：计算机操作系统存储管理目录计算机存储系统概述操作系统存储管理策略内存分配与回收技术虚拟内存管理技术文件系统与磁盘调度算法存储系统性能优化方法01计算机存储系统概述定义存储系统是指计算机中用于存放程序和数据的硬件设备、控制部件及管理信息调度的设备和算法所组成的系统。功能提供高效、可靠的数据存储服务，确保计算机系统的正常运行；实现数据的快速访问、保护和恢复；支持多用户、多任务环境下的数据共享和并发访问。存储系统定义与功能主存储器包括RAM（随机存取存储器）和ROM（只读存储器），用于存储当前正在使用的程序和数据。RAM具有读写速度快、可随机访问等特点，但断电后数据会丢失；ROM则具有非易失性，存储的数据在断电后仍能保留。辅助存储器如硬盘、光盘、U盘等，用于长期保存大量数据。它们具有容量大、价格低等特点，但读写速度相对较慢。缓冲存储器位于CPU和主存储器之间，用于缓解速度不匹配的问题。它具有速度快、容量小等特点，通常由SRAM（静态随机存取存储器）实现。存储设备分类及特点可扩展性指存储系统可以根据需要进行容量扩展和性能提升的能力。一个好的存储系统应该具有良好的可扩展性，以满足不断增长的数据存储需求。存储容量指存储设备可以容纳的二进制信息量，通常以字节（Byte）为单位进行计量。存取速度指从存储设备中读取或写入数据的速度，通常以访问时间、数据传输率等指标来衡量。访问时间越短、数据传输率越高，则存取速度越快。可靠性指存储系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力。通常采用平均无故障时间（MTBF）和平均修复时间（MTTR）来衡量可靠性。存储系统性能指标02操作系统存储管理策略将内存划分为若干独立分区，每个程序加载到一个或多个分区中，实现内存隔离和防止程序间的相互干扰。分区管理将内存和程序都划分为等大小的页，通过页表实现逻辑地址到物理地址的映射，支持非连续内存分配和共享。页式管理将程序划分为多个逻辑段，每个段具有独立的地址空间和保护属性，支持动态内存分配和共享。段式管理结合段式管理和页式管理的优点，先将程序划分为多个段，再将每个段划分为多个页，实现更细粒度的内存管理。段页式管理内存管理策略

外存管理策略文件管理通过文件系统对外存进行组织和管理，提供文件的创建、读写、删除等操作，并支持文件的保护和共享。磁盘调度根据一定的算法对磁盘读写请求进行排序和优化，以减少磁盘寻道时间和旋转延迟，提高磁盘的利用率和系统的性能。虚拟存储管理将部分外存空间作为内存的扩展，通过页面置换算法实现内存与外存之间的数据交换，提高内存的利用率和系统的吞吐量。缓存替换算法01当缓存空间不足时，根据一定的算法选择替换缓存中的某些数据，以减少对内存的访问次数和提高系统的性能。缓存一致性维护02在多处理器系统中，通过缓存一致性协议维护各个处理器缓存之间的一致性，避免数据不一致和冲突的问题。缓存优化技术03采用预取、写回、写通等技术优化缓存的读写操作，提高缓存的命中率和系统的性能。同时，针对特定的应用场景和数据访问模式，可以采用定制化的缓存管理策略来进一步提高性能。缓存管理策略03内存分配与回收技术在程序编译时确定每个数据目标与程序代码的存放位置，适用于变量个数和类型固定的情况。静态内存分配在程序执行过程中根据需要动态地分配或回收存储空间，适用于变量个数和类型不确定的情况。动态内存分配一种常用的动态内存分配算法，通过将内存块分为大小相等的两部分来管理内存，适用于多进程环境下的内存分配。伙伴系统内存分配方法引用计数通过跟踪每个内存对象的引用次数来管理内存，当引用次数为零时自动回收内存空间。垃圾回收自动检测并回收不再使用的内存空间，减少内存泄漏和野指针问题，提高内存利用率。内存池技术预先分配一大块内存空间作为内存池，然后根据需要从中分配小块内存空间，降低内存分配和回收的开销。内存回收机制123将内存中所有作业移动，使它们全都相邻接，从而把原来分散的多个小空闲区拼接成一个大空闲区。紧凑技术将暂时不能运行的进程或暂时不用的程序和数据换出到外存上，以便腾出足够的内存空间给可运行的进程使用。对换技术将进程的地址空间划分为若干个大小相等的页或段，以页或段为单位进行内存分配和回收，减少内存碎片的产生。分页和分段技术内存碎片整理技术04虚拟内存管理技术虚拟内存是一种计算机系统内存管理的技术，它允许应用程序认为它拥有连续的可用的内存，而实际上内存通常被分隔成多个物理内存碎片。虚拟内存通过将部分数据暂时存储在外部磁盘存储器上，实现了内存空间的扩展，使得程序可以使用的内存空间大于实际物理内存的大小。虚拟内存的原理是基于程序的局部性原理，即程序在执行时往往只访问其地址空间的一小部分，因此可以将不常用的数据交换到磁盘上，从而为当前需要的数据腾出内存空间。虚拟内存概念及原理页面置换算法是虚拟内存管理中的重要技术，用于决定哪些内存页面需要被换出到磁盘上，以及从磁盘上换入哪些页面到内存中。常见的页面置换算法包括：最近最少使用（LRU）算法、先进先出（FIFO）算法、最佳（OPT）算法等。LRU算法根据页面最近被访问的情况来预测未来哪些页面最不可能被访问，从而将这些页面换出；FIFO算法则根据页面进入内存的时间顺序来决定哪些页面需要被换出；OPT算法则是最优的算法，但在实际中很难实现，因为它需要预知未来的页面访问情况。页面置换算法介绍页面抖动问题及其解决方案010203页面抖动是指频繁的页面换入换出操作，导致系统效率急剧下降的现象。页面抖动通常是由于页面置换算法选择不当或者内存分配不合理导致的。解决页面抖动的方案包括：增加物理内存的大小、改进页面置换算法、合理分配内存等。其中，改进页面置换算法是解决页面抖动的关键，可以通过引入工作集算法、时钟算法等来优化页面置换过程，减少不必要的页面换入换出操作。05文件系统与磁盘调度算法文件系统定义文件系统是操作系统中负责管理和存储文件信息的软件机构，它提供了组织、存储、访问和保护文件的方式。文件系统结构文件系统通常由文件目录、文件分配表、数据块等部分组成，其中文件目录用于记录文件名、属性等信息，文件分配表用于记录文件在磁盘上的存储位置，数据块则是实际存储文件内容的地方。文件访问方式通过文件系统，用户可以方便地访问和操作文件，如打开、读取、写入、关闭等。文件系统基本概念及结构在多道程序设计的计算机系统中，当有多个进程需要访问磁盘时，就需要通过磁盘调度算法来决定各个进程访问磁盘的顺序。磁盘调度算法定义常用的磁盘调度算法包括先来先服务算法（FCFS）、最短寻道时间优先算法（SSTF）、扫描算法（SCAN）和循环扫描算法（CSCAN）等。常用磁盘调度算法根据实际应用场景和需求，可以选择不同的磁盘调度算法来优化磁盘访问效率。磁盘调度算法选择磁盘调度算法介绍RAID定义RAID是一种将多个磁盘组合成一个逻辑磁盘的技术，它可以提高磁盘的读写性能、数据可靠性和存储容量。RAID级别RAID分为不同的级别，如RAID0、RAID1、RAID5等，每种级别都有其特定的优缺点和适用场景。RAID实现方式RAID可以通过硬件或软件方式实现，其中硬件RAID通常由专门的RAID控制器和多个磁盘组成，而软件RAID则是通过操作系统或第三方软件来实现的。010203磁盘阵列技术（RAID）06存储系统性能优化方法使用高性能的硬盘（如SSD）或磁盘阵列来提高存储系统的I/O性能。升级存储设备增加存储容量采用高速接口通过增加硬盘数量或升级硬盘容量来满足日益增长的数据存储需求。使用如PCIe、NVMe等高速接口，减少数据传输的延迟，提高存储系统的整体性能。030201硬件优化方法选择合适的文件系统，并进行定期维护和碎片整理，以提高文件读写效率。文件系统优化利用内存作为缓存，暂时存储频繁访问的数据，减少对慢速存储设备的访问次数。缓存技术根据存储设备的特性和工作负载类型，选择合适的I/O调度算法来优化数据传输顺序。I/O调度算法软