计算机基础理论知识梳理篇(一)：数据类型长度、内存页、IPC

字长与数据类型长度

字长指CPU在同一时间能够处理二进制数据的位数，是由其外接数据总线(地址总线决定了CPU的寻址空间，如16位微型机的地址总线为20位，其可寻址空间为2²⁰ = 1MB)的条数决定的。早期的微机字长一般是8位或16位，目前市面上的计算机的处理器大部分已达到64位。但大多数计算机均支持变字长运算，即机内可实现半字长、全字长（或单字长）、双倍字长运算。ANSI C/C++ 定义了基本数据类型长度，而操作系统字长可能与物理机器实际字长不一致，编译器是根据操作系统字长和ANSI C/C++ 标准来决定数据类型长度的，比如long类型在64位系统上占用8字节，在32位系统上占用4字节。因此64位系统比32位系统代码更长，占用更多的内存空间也就好理解了。

页、块(簇)与扇区

• 扇区是磁道的一个分区，扇区的大小是固定的512B，是磁盘读写的基本单位。
• 块(Block，Windows中称簇Cluster)是文件分配磁盘空间的基本单位(也可以说是系统读写磁盘的基本单位)，每个块可以包括2ⁿ个扇区(文件系统可支持的块数量有上限，FAT16簇总数只有2¹⁶个，FAT32簇总数有2³²个)。
  

  一个文件通常存放在一个或多个块里，两个文件不能存放在同一个块中。比如，有1024个文件，大小为1字节，这些文件在硬盘上占用的空间不是1B而是1024个块，如果一个块为8 * 512B = 4K，那么就占了4M的空间。块越大，磁盘碎片就越少，硬盘的速度就越快，但对小文件而言，硬盘的使用效率就会越小。磁盘如果主要存放电影等大文件设置大块，如果主要存放很小的文件设置小块。
  
  磁盘碎片：指文件被分散保存到磁盘的不同地方，而不是连续的块。造成该问题的根本原因可能是文件内容长度的增加。有人认为，虚拟内存空间(硬盘的特定区域，Linux中称swap空间)中的临时交换文件频繁读写，是产生硬盘碎片的主要原因。我对这种说法是存疑的，既是临时文件，其内容在系统重启后就会失效，当然服务器一般是不会经常重启的；因此并不需要对PC机频繁进行磁盘碎片的整理，对服务器而言，若是虚拟内存空间中的内容频繁改变，进行磁盘碎片整理意义不大。Windows pagefile.sys文件一旦创建则长度固定，其占用的连续簇形式就固定下来，读写并不改变pagefile.sys的大小，当该文件告罄后系统创建temppf.sys依旧占用连续的一块区域(当然temppf.sys与pagefile.sys可能不在一个毗邻连续的区域)。Linux 虚拟内存空间位于单独的swap分区中，不影响其他分区文件。

• 页(Page)指内存分页存储管理中将一个进程空间划分成多个大小相等的片，并给以编号0、1、2等，是页置换(通过页面置换算法来实现)的基本单位。相应地，也把内存空间分成与页面相同大小的若干个块，称为(物理)块或页框(Frame)，块或页框是内存空间分配的最小单位，也同样加以编号。页大小是2ⁿ个扇区大小，通常为512 B～8 KB。系统是通过页表来维护页到块的映射关系的。页置换可解决空闲物理内存空间不足的问题。常见页面置换算法有如下几种：

  1)先进先出法FIFO；
  2)最佳置换法OPT：选择将来不再使用或在最远的将来才被访问的页调换出去；
  3)最近最久未使用LRU：选择在最近一段时间里最久没有使用过的页面予以淘汰；
  4)Clock置换算法(LRU算法的近似实现)；
  5)最少使用(LFU)置换算法；
  6)页面缓冲置换算法。

管道(Pipe) 、命名管道(FIFO) 与 IPC Socket

• 管道用于有亲缘关系的进程间通信，是内核管理的一个缓冲区，是一段环形数据结构，可循环利用。其一端连接一个进程的输出，用于向管道中放入信息，若已将管道填满则等待另一端读出；另一端连接一个进程的输入，用于从管道中取出信息，若未读到信息则等待另一端放入。
• 命名管道(Named PIPE)在Linux文件系统中是一种特殊文件类型(p)，客服了无名管道的限制，能用于无亲缘关系的进程间通信。当一个进程以读方式打开该文件，而另一个进程以写方式打开该文件时，内核就会在这两个进程之间建立管道。其之所以叫FIFO，是因为管道本质上是一个先进先出的队列数据结构，最早放入的数据被最先读出来，从而保证信息交流的顺序。

  cenze@kylin:~$ mkfifo mypipe
  
  #先写或先读命名管道都将被阻塞
  cenze@kylin:~$ ls -l mypipe > mypipe
  
  #多个用户同时读，只有一个可以获得数据
  #所以命名管道可以理解成抢占式的，而非订阅式的
  cenze@kylin:~$ cat mypipe
  prw-rw-r--  cenze cenze  2月    : mypipe

• UNIX Domain Socket(IPC Socket)是在网络Socket框架上发展出的一种IPC机制，实现了在本机上把数据从一个进程拷贝到另一个进程，比网络Socket更有效率(无需网络协议栈打包拆包、计算校验和、维护序号和应答等)。IPC Socket也采用类似FIFO文件(p)的形式通过一个指定的文件(s)对应内核的一条通道，相互通信的两个进程读写该文件实际是读写内核通道。下边这段来自 wikipedia：
  

  Like named pipes, Unix domain sockets support transmission of a reliable stream of bytes (SOCK_STREAM,compare to TCP). In addition, they support ordered and reliable transmission of datagrams (SOCK_SEQPACKET,compare to SCTP), or unordered and unreliable transmission of datagrams (SOCK_DGRAM, compare to UDP). The Unix domain socket facility is a standard component of POSIX operating systems.