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操作系统存储模型

操作系统中的多级存储模型

目标：在速度和成本之间做平衡，通过“分级+动态切换”，实现大容量 + 高效率的存储系统。

操作系统如何动态切换不同层级？

操作系统通过 缓存机制、虚拟内存、分页调度 等策略，自动完成不同层级间的数据切换，下面是关键机制：

1️⃣CPU 缓存机制（由硬件主导）

• Cache 命中（Hit）：CPU 直接从 Cache 读；
• Cache 不命中（Miss）：CPU 从内存读，并加载到 Cache；
• 替换算法：如 LRU（最近最少使用）决定 Cache 中淘汰谁。

⚠️ 这个过程完全由硬件控制，操作系统感知不到。

2️⃣ 虚拟内存机制（操作系统控制）

• 每个进程有自己的虚拟地址空间，操作系统负责映射到真实物理内存；
• 如果某个虚拟页没有在内存中 → 触发 缺页中断（Page Fault）；
  • 操作系统从磁盘（如 swap 分区）中加载页面；
  • 如果内存已满，可能需要 淘汰一个页（写回磁盘）再加载；
• 核心算法：
  • 页表（Page Table）管理映射；
  • 页面置换算法：LRU（最近最少使用）、Clock（最近未使用）、FIFO 等；
  • swap 分区或 swap 文件支撑磁盘⇄内存动态交换。

3️⃣ 文件系统缓存（Page Cache / Buffer Cache）

• 当你访问文件时，操作系统会：
  • 把文件读取到 Page Cache 中；
  • 再提供给应用程序使用；
• 如果再次访问同一文件，就直接命中缓存，避免磁盘 IO。

4️⃣ 应用层/分布式缓存（更高层）

• Redis、Memcached 等是业务层的缓存；
• OS 并不直接管理，但它们利用内存加速了访问。