操作系统基本知识课件

操作系统的虚拟内存和虚拟地址空间虚拟存储器·计算机系统的存储器分为内存(主存)和外存(硬盘)。内存的价格昂贵,速度高,存储容量有限;外存价格便宜,速度慢,存储容量很大,适合于存放大量数据。为了使更多的用户进程合理、充分地使用存储资源,操作系统统一管理内存和外存,即把内存中暂时不用的内容放在硬盘上,内存中就可以腾出一部分空间可以从硬盘装入其他迫切需要的内容。因此,从效果上看,计算机系统好像为用户提供了一个其存储容量比实际主存大得多的存储器。人们称这个存储器为虚拟存储器局部性原理实验证明,在几平所有进程的执行过程中,某一个特定的时间段中CPU不是随机地访问整个程据,而是集中地访问程序或数据的某一个部分。进程的这种访问特性称为局部性原理。与cPU访问该局部内的数据和代码的次数相比,局部段的变化很缓慢正是基于这样的原理,我们才有可能实现虚拟存储管理。把进程的所有内容划分为一个个小的部分,首先只把系统所必需的部分数据装入内存,其余部分就放在外存中始运行之后,再把所需要的其他部分换入内时把不再需要的部分从内存中换到硬盘或者清除掉。然,与之相配合,实际的内存也要划分为对应的小部分这种内外存之间的数据交换对用户进程来讲是透明的。从用户进程的角度来看,系统好像提供很大的内存一样,整个进程都能装进去而且正常运行,这种逻辑上的大容量存储空间就可以称为虚拟存储器。实际上,是操作系统的存储管理起了作用,用多次内外存数据交换的时间换来了大容量的并不真正存在的(虚拟的)内存。因此,可以想象,访问虚拟存储器的速度要比访问真正内存的速度要慢(大型机APP大小最少几个G,机内存没那么大)从宏观角度Linux的虚拟内存管理机制为应用程序和驱动程序提供了两种服务√使每个进程都拥有自己独立的內存地址空间;对于32位inux而言每个任务可寻址的内存地址空间都为∞0024GB);对于64位inu而言,每个任务可寻址的内存地址空间都为0×0000000000FF6(26417179869184GB或者1677216T8√当物理内存不够时,虚拟内存管理糢块会用外存空间模拟內存空间,并且该模拟过程对应用程序是透明的。用户地址空间与内核地址空间1.Linux将每个进程的4GB的独立地址空间又划分为用户地址空间(000030FF和内核地址空间(0C000IXFFFFFFFF两部分。2.操作系统内核代码和数据存放在内核地址空间;每个进程自己私有的代码和数据存放在用户地址空间3.虽然Linux的内核代码和数据被映射到了每个进程的地址空间中(所有进程看到的内容是相同的),但在实际的物理内存中只有内核代码和数据的一份拷贝。用户态与核心态一般现代CPU嘟都有几种不同的指令执行级别在高执行级别下,代码可以执行特权指令,访问任意的物理地址,这种CPU执行级别就对应着内核态用户态指相应的低级别执行状态,代码的掌控范围会受到限制,只能执行CPU指令集的一个子集举例:intelx86〔門U有四种不同的执行级别03,0级最高,3级最低,Linu欢只使用了其中的0级和3级分别来表示内核态和用户态0Xc000006呐内核地址空间只能在内核态下访问,0×000xbff地址空间在两种状态下都可以访问应用程序可以通过Linux系统调用由用户态进入内核态,C语言调用汇编语言asm用户态切换到内核态的3种方式a.系统调用用户态进程通过系统谰用申请使囯霂作系統提供的服务程序完成工作,系統谞用的杋制其核心还是使用了操作系统为用户特别开放的一个中断来实现,例如iuw的nt8h中当CPU在执行运行在月户态下的程序时,发生了某些事先不可知的异常,这时会触发白当前运行进程切换到处理此异常的内核相关程序中,也就转到了内核态,比如缺页异常c.分围设各的中断当外围没备完成用户请求的操作后,会向CPU发出相的中断信号,这时CPU会暂停执行下一条即将要执行的指令转而去拭行与中断信号对应的处運程序,如果先前行的指令是用户态下的程序,那么这个转换的过程自然乜就发生了由用户态到内核态的切换。比如硬盘凑写操作完成,系统会切换到硬盘读写的中处理程序中执行后续架作等这3种方式是系统在运行时由用户态转到内核态的最主要方式,其中系统调冂可以认为是雨户进程主动发起的,异常和外围设备中断则是动的切换步骤·从触发方式上看,可以认为存在前述3种不同的类型,但是从最终实际完成由用户态到内核态的切换操作上来说,涉及的关键步骤是完全一致的,没有任何区别,都相当于执行了一个中断响应的过程,因为系统调用实际上最终是中断机制实现的,而异常和中断的处理机制基本上也是一致的,步骤如下:[1]从当前进程的描述符中提取其内核栈的s5及esp0信息。[2]使用550和es0指向的内核栈将当前进程的ceip,eflags,Ss,esp信息保存起来,这个过程也完成了由用户栈到内核栈的切换过程,同时保存了被暂停执行的程序的下一条指令。·[3]将先前由中断向量检索得到的中断处理程序的csei信息装入相应的寄存器,开始执行中断处理程序,这时就转到了内核态的程序执行了。用户态内核态应用BNQ的技术核心:零拷贝技术,Kaka就是采用aaNo零拷贝技术ANO的cn(通道)就相操作系统中的内整缓社屋:有可IrBufferFilefilenewFile(test.zip")RandomAccessFilerafnewRandomAccessfile(file,rw")FileChannelfileChannelrafgetChannel()MappedByteBufferbufferfile.map(FileChannel.MapModeREAD_ONLY,0,fileChannelsizeNO中的FIleChannel.map方艺荔:肉核据众磁盘读取到内建添合这收大文件时迷魔交内篷数物页是如processData()∥/数据处理完成以后,打开一个SocketchannelSocketcChannelsocketChannelSocketChannelopen(newInetSocketAddress(",port))·∥/这时依旧需要CPU将内核缓冲区的内容拷贝到网络缓冲区socketChannel.w