操作系统学习（九）——存储系统

一、存储系统

在操作系统中，存储系统（Storage System） 是计算机系统的核心组成部分之一，它负责数据的存储、组织、管理和访问。
它不仅包括物理设备（如内存、硬盘），还包括操作系统提供的逻辑抽象（如文件系统、缓存、虚拟内存等）。

存储系统通常划分为以下层次：

在存储层次中，层次越高（越靠近CPU），存储介质的访问速度越快，价格也越高，相对所配置的存储容量也越小。

操作系统需要协调这些存储层次，在速度和成本之间做平衡。

二、存储系统的主要组成

组成部分	描述
主存（RAM）	运行时存储程序和数据，是 CPU 的直接工作区
磁盘（Disk）	永久性数据存储设备，如 HDD、SSD
文件系统	管理磁盘数据的结构，如 FAT32、NTFS、ext4
缓存（Cache）	提高内存/磁盘访问速度的高速缓冲区
虚拟内存（VM）	使用磁盘空间模拟主存，支持更大的程序运行
页表与地址映射	实现虚拟地址 → 物理地址的转换

三、主存（RAM）管理

在操作系统中，主存（RAM）管理是核心功能之一，它决定了多个程序如何高效、安全地共享内存资源。主存管理直接关系到系统的性能、稳定性和多任务处理能力。

主存可被视为一个线性字节数组，但在 OS 中常分为如下部分：

+-----------------------+
| 操作系统核心（内核区）|
+-----------------------+
| 应用程序1             |
+-----------------------+
| 应用程序2             |
+-----------------------+
| 空闲空间（碎片）       |
+-----------------------+

主存（RAM）管理的目标：

目标	描述
多道程序支持	允许多个程序并发驻留内存
内存保护	防止程序互相干扰
内存利用率高	减少内存碎片，提高空间利用率
快速访问	支持快速的地址转换和访问
虚拟内存支持	程序可使用比物理内存更大的空间

操作系统需要负责对主存进行分配与回收，主要策略包括：

1. 连续分配管理

• 将内存分成若干连续块；
• 程序一次性分配一整块。

常见算法：

算法	说明
首次适应	从头开始找第一个能装下的空块
最佳适应	找最小但足够的空块（减少浪费）
最差适应	找最大的空块（减少碎片）

缺点：易产生外部碎片。

2. 分页管理（Paging）

• 将物理内存划分为固定大小的页帧（Page Frame）；
• 将程序划分为同样大小的页（Page）；
• 使用页表记录虚拟页到物理页的映射。

虚拟地址结构：

虚拟地址 = 页号 + 页内偏移

优点：

• 消除外部碎片；
• 支持虚拟内存。

3. 分段管理（Segmentation）

• 把程序分成逻辑段：如代码段、数据段、栈段；
• 每段独立映射到内存。

优点：

• 支持逻辑结构清晰的内存管理；
• 易于保护和共享。

4. 段页式管理（Segmentation + Paging）

• 将每个段再分页；
• 结合分页的空间利用率和分段的逻辑清晰性。

内存碎片问题：

类型	说明
外部碎片	连续分配造成的内存空洞
内部碎片	分配的内存比程序实际使用大

四、虚拟内存（Virtual Memory）

虚拟内存是操作系统提供的一种抽象，允许程序使用比实际内存更大的地址空间。

1. 实现机制

• 将进程虚拟地址空间划分为页（Page）；
• 利用页表（Page Table）记录虚拟页与物理页的映射；
• 不常用页存入磁盘（Swap 区）。

2. 页置换算法（换出旧页）

算法	描述
FIFO	最早进入内存的页先被换出
LRU	最近最少使用的页被换出
Clock	改进型的近似 LRU 算法
Optimal	理论最优（实际难以实现）

五、缓存机制（Cache）

缓存是位于处理器和主存之间的高速存储区域，用于缓冲频繁访问的数据。

1. 目标

• 降低访问主存的频率（主存速度较慢）；
• 提高 CPU 的执行效率。

2. 缓存的层级结构（多级缓存）

现代计算机通常采用分级缓存结构：

缓存级别	位置	容量	速度	特点
L1 Cache	CPU 内部	最小（32~64KB）	非常快	每个核心私有，分数据/指令
L2 Cache	CPU 内部或共享	中等（256KB~1MB）	很快	常为每核心独享
L3 Cache	多核心共享	较大（2~32MB）	快	多核心共享资源
主存（RAM）	外部	GB级别	较慢	所有程序共享

通过缓存机制，数据可以提前预取、减少磁盘访问次数、提高性能。

3. 缓存命中与未命中

• 命中（Hit）：请求的数据已在 Cache 中，直接返回；
• 未命中（Miss）：数据不在 Cache，需要从主存读取，代价较大。

命中率 = 命中次数 / 总访问次数

命中率越高，CPU 性能越好。

六、磁盘管理

操作系统需要对磁盘进行组织和访问控制，包含以下内容：

1. 磁盘结构管理

• 使用逻辑块（block） 组织物理扇区；
• 每个磁盘通常有：MBR、分区表、数据区域等。

2. 磁盘调度算法

优化磁盘访问时间：

算法	描述
FCFS	先来先服务
SSTF	最短寻道时间优先
SCAN	磁头来回扫描
C-SCAN	只单向扫描，回头不服务

七、文件系统（File System）

文件系统是操作系统在磁盘上组织、命名、存储、保护和访问数据的机制。

1. 功能

• 文件和目录管理；
• 权限控制（读/写/执行）；
• 空间分配与释放；
• 目录层级结构；
• 元数据维护（文件名、大小、时间等）。

2. 常见文件系统类型

系统	适用平台	特点
FAT32	Windows	简单，兼容性好，但不支持大文件
NTFS	Windows	支持权限、压缩、大文件
ext3/ext4	Linux	稳定、支持日志
APFS	macOS	Apple 专用，支持快照

八、存储保护与安全

机制	描述
内存保护（Memory Protection）	防止一个进程访问另一个进程的内存
文件权限（如 chmod）	控制用户对文件的访问
虚拟地址隔离	每个进程独立地址空间
加密文件系统（EFS）	对文件内容进行加密

九、存储系统面临的挑战

挑战	描述
性能瓶颈	磁盘和内存访问速度差距大
一致性问题	断电或异常退出可能造成文件系统损坏
空间碎片化	文件不断增删导致磁盘空洞
访问延迟	特别是传统机械磁盘
安全性与隐私	数据可能被恶意软件窃取