2.1 计算机系统概述
- 定义：计算机系统是用于数据管理的计算机硬件、软件及网络组成的系统，能按人的要求接收和存储信息，自动处理数据并输出结果。通常指由硬件和软件子系统组成的系统，简称计算机；连接多个计算机实现数据交换的网络设备则称为计算机网络。
- 组成：
- 硬件：由机械、电子元器件等物理实体构成，如处理器、存储器、输入输出设备等。
- 软件：按特定顺序组织的数据和指令，可分为系统软件（支持应用软件运行，提供开发平台）和应用软件（用户为专门应用目的开发）。
- 特点：硬件有形，软件无形，两者界限逐渐模糊，部分功能可根据设计由硬件或软件实现。
- 分类：分类维度多，结合构成特征、应用领域和用途有常见分类，但因技术交叉融合，分类无严格界限，主要依据主体功能。
2.2 计算机硬件
- 2.2.1 组成：基于冯·诺依曼计算机结构，划分为处理器、存储器、总线、接口和外部设备。
- 2.2.2 处理器：
- 作为运算和控制核心，在位宽、能力构成、内核等方面不断发展。
- 指令集分复杂指令集（CISC，如Intel、AMD的x86CPU）和精简指令集（RISC，如ARM和Power），RISC是发展趋势。
- 典型系统结构中各部件协同工作，且有专用处理器如GPU（适用于深度学习等）、DSP（用于实时数字信号处理）等。国产处理器如华睿、翔腾微等在不同行业应用。
- 2.2.3 存储器：
- 利用多种介质存储数据，按硬件结构有SRAM、DRAM等。
- 采用分层体系结构，按与处理器物理距离分片上缓存、片外缓存、主存（内存）、外存，各层次在结构、容量、特性等方面不同。外存掉电后数据可保留，但不同介质保存年限不同。
- 2.2.4 总线：
- 是计算机部件间遵循特定协议实现数据交换的形式。
- 按位置分内总线（片上/内总线）、系统总线（狭义为CPU与主存等连接的总线，广义含局部总线）、外部总线（通信总线）。
- 总线间通过桥连接实现协议转换，性能指标有带宽、QoS等，常见类型有并行总线（如PCI）和串行总线（如USB），专业领域还有特定总线。
- 2.2.5 接口：是同一计算机不同功能层间的通信规则，常见的有显示类、音频类、网络类等接口，一种总线可能有多种接口，也有随需求设计的非标准接口。
- 2.2.6 外部设备：
- 是非必要设备，但计算机必有部分，种类丰富，涵盖常见输入输出设备、外存，以及移动穿戴、工业控制等领域的专用设备。
- 均通过接口与计算机主体连接，通过指令和数据实现功能，且会随需求不断涌现新设备。
这段文本详细介绍了计算机软件的相关知识，尤其是系统软件中的操作系统，具体内容如下：
2.3 计算机软件
概念演变：早期软件与程序概念近乎一致，后来软件概念延伸为计算机系统中的程序及其文档，是计算任务的处理对象（数据或信息）和处理规则（动作和步骤）的描述，文档则是便于理解程序的阐述性资料。
2.3.1 计算机软件概述
- 软件系统定义：是在计算机硬件系统上运行的程序、相关文档资料和数据的集合，用于扩充计算机系统功能、提高效率。
- 分类：
- 系统软件：为整个计算机系统配置，不依赖特定应用领域的通用软件，负责控制和管理软硬件资源，为用户及其他应用软件提供服务，是硬件协调工作和应用软件运行的基础。可分为操作系统、程序设计语言翻译系统、数据库管理系统和网络软件等。
- 应用软件：为某类应用需求或解决特定问题而设计的软件，如图形图像处理软件、财务软件等。按使用面可分为专用应用软件和通用应用软件，在企事业单位的各类管理工作中发挥重要作用。
2.3.2 操作系统
- 定位：是计算机系统的资源管理者，是配置在硬件上的第一层软件，向下管理裸机及文件，向上为其他系统软件和应用软件提供支持及用户接口。
- 1. 组成：
- 由操作系统内核和诸多附加配套软件组成。
- 内核是最基本部分，提供进程管理、存储管理等功能，驻留内存，以CPU最高优先级运行，可执行特权指令，直接访问外设和主存，对硬件抽象后为应用软件提供统一接口（系统调用接口或API）。
- 附加配套软件包括图形用户界面程序、常用应用程序、实用程序及支持应用软件开发运行的软件构件等。
- 2. 作用：
- 管理程序运行和分配软硬件资源，避免冲突，保证程序有序运行，涵盖处理器、存储、文件、I/O设备等管理。
- 提供友善人机界面（如GUI），方便用户与计算机通信。
- 为应用程序开发和运行提供高效平台，屏蔽物理设备细节，提供支持。此外，还有辅导操作、处理错误、监控性能、保护安全等作用。
- 3. 特征：
- 并发性：多道程序环境下，宏观上多个程序同时运行，单CPU环境下微观上交替执行，多CPU可实现并行。
- 共享性：资源可被多个并发进程（线程）共同使用，有同时共享和互斥共享两种方式。
- 虚拟性：通过管理技术将物理实体转换为逻辑上的对应物，为用户提供便捷高效的操作环境。
- 不确定性：多道程序环境中，进程执行“走走停停”，其执行时间、推进速度等不可预知，可能导致程序执行结果不唯一。
- 4. 分类：
- 批处理操作系统：分单道和多道，单道一次装入一个作业执行，多道允许多个作业装入内存，提高资源利用率。
- 分时操作系统：将CPU时间划分为时间片，轮流为终端用户服务，具有多路性、独立性等特点。
- 实时操作系统：能快速处理外来信息并及时响应，分实时控制系统和实时信息处理系统，对可靠性要求高。
- 网络操作系统：用于实现联网计算机的资源共享，提供多种服务，具有硬件独立性、多用户支持等特征。
- 分布式操作系统：为分布式计算机系统配置，能动态分配资源、协调任务，是更高级的网络操作系统，具有透明性等特性。
- 微型计算机操作系统：如Windows、Mac OS、Linux等。
- 嵌入式操作系统：运行在嵌入式智能设备中，具有微型化、可定制、实时性等特点，常见的有VxWorks、μC/OS-III等。
2.3.3 数据库
在信息处理领域，由于数据量庞大，如何有效组织、存储数据对实现高效率的信息处理至关重要。数据库技术是目前最有效的数据管理技术。
数据库（DataBase，DB）是指长期存储在计算机内、有组织的、统一管理的相关数据的集合。它不仅描述事物的数据本身，而且还包括相关事物之间的联系。数据库可以直观地理解为“存放数据的仓库”，只不过这个仓库建立在计算机的存储设备上，且数据按特定格式存放，具有冗余度小、数据独立性高、易扩展性强的特点，可支持多个用户共享使用。
早期数据库主要分为3类，分别是层次式数据库、网络式数据库和关系型数据库。目前主流的数据库类型为关系型数据库和非关系型数据库；若按存储体系分类，还可细分为关系型数据库、键值（Key-Value）数据库、列存储数据库、文档数据库和搜索引擎数据库等，各类数据库的核心特性如下：
| 数据库类型 | 核心特性与应用场景 |
|---|---|
| 1. 关系型数据库 | 最传统的数据库类型，将复杂数据结构归结为“二元关系”（即二维表），数据操作基于一张或多张关联表格。通过分类、合并、连接、选取等运算实现管理，适用于数据结构固定、事务一致性要求高的场景（如金融、电商订单系统）。 |
| 2. 键值数据库 | 非关系型数据库的一种，以“键值对”（Key-Value Pair）形式存储数据，其中“键”作为唯一标识符。结构简单、读写效率高，适用于缓存、会话存储、配置管理等轻量数据场景（如Redis）。 |
| 3. 列存储数据库 | 与传统关系型数据库的“行式存储”相对，按“列”存储表中数据。擅长批量读取指定列数据、压缩率高，适用于数据分析、数据仓库等场景（如HBase）。 |
| 4. 文档数据库 | 存储XML、JSON、BSON等格式的“文档”，文档具备自描述性（Self-Describing），呈现分层树状结构，可包含映射表、集合和纯量值。文档间可相似但无需完全一致，可视为“值可查询的键值数据库”，适用于内容管理、电商商品描述等场景（如MongoDB）。 |
| 5. 搜索引擎数据库 | 专为搜索引擎场景设计，支持对海量爬取数据的高效存储与检索，通过特定索引结构优化查询性能，适用于全文检索、日志分析等场景（如Elasticsearch）。 |
下面简要介绍信息处理中常用的关系数据库和分布式数据库：
1. 关系数据库
数据模型是数据特征的抽象，是数据库系统的核心与基础，包含数据结构、数据操作、完整性约束条件三要素。在关系数据库中，“关系”可理解为“二维表”，一个关系模型即通过若干二维表表示实体（如“学生”“课程”）及其联系（如“选课”），并以二维表形式存储数据。
例如，某高校学生选课管理系统中，数据可通过以下三张二维表表示（带下画线的属性为“主码”，主码能唯一确定某个实体，如“学号”唯一确定一名学生）：
- 学生（学号，姓名，年龄，系别）
- 课程（课程号，课程名，学分）
- 选课（学号，课程号，分数）
1) 关系数据库设计的特点及方法
数据库设计是指针对给定的应用环境，构造最优数据库及应用系统，以实现数据的有效存储和用户需求满足。其核心包括结构特性设计（数据模型设计）和行为特性设计（应用程序设计）两方面，且多数设计阶段可与软件工程阶段对应。
数据库设计的特点
- 以数据模型为核心展开，从数据结构设计起步；
- 静态结构设计（数据存储结构）与动态行为设计（数据操作逻辑）分离；
- 设计过程具有试探性、反复性和多步性（需多次迭代优化）。
常用数据库设计方法
数据库设计方法可分为直观设计法、规范设计法、计算机辅助设计法和自动化设计法4类，实际应用中常用的有：
- 基于第三范式（3NF）的设计方法（消除数据冗余和异常）；
- 基于实体联系（E-R）模型的设计方法（通过E-R图描述实体、属性与联系）；
- 基于视图概念的设计方法（从用户视角出发设计数据视图）；
- 面向对象的关系数据库设计方法（融合面向对象思想与关系模型）；
- 计算机辅助数据库设计方法（借助工具如PowerDesigner自动化设计）；
- 敏捷数据库设计方法（快速迭代、适应需求变化）。
2) 关系数据库设计的基本步骤
数据库设计需经历需求分析、概念结构设计、逻辑结构设计、物理结构设计、应用程序设计、运行维护6个阶段，各阶段核心任务如下：
| 设计阶段 | 核心任务 |
|---|---|
| 需求分析 | 对现实处理对象（如企业、部门）进行详细调查，明确用户的数据需求（需存储的数据）和业务处理需求（数据操作逻辑），是后续设计的基础。 |
| 概念结构设计 | 在需求分析基础上，对用户信息分类、聚集、概括，建立概念模型（如E-R模型），核心是“数据建模”。常用E-R方法，分三步：设计局部E-R模型→设计全局E-R模型→全局E-R模型优化。 |
| 逻辑结构设计 | 将概念模型（如E-R图）转换为指定的数据模型（层次、网状或关系模型），确定数据完整性约束（如主码唯一、外码关联）和用户视图（用户可访问的数据范围）。 |
| 物理结构设计 | 对已确定的逻辑结构，利用数据库管理系统（DBMS）提供的技术，设计物理存储结构（如数据文件格式、索引结构）、数据存取路径、数据存放位置，目标是实现高效存储与查询。 |
| 应用程序设计 | 属于DBMS的二次开发，需选择设计方法（结构化设计/面向对象设计）、制定开发计划、确定系统架构（如C/S/B/S）、设计安全性策略（硬件/操作系统/数据库/网络/应用的安全防护）。 |
| 运行维护 | 保障数据库长期稳定运行，包括：数据转储与恢复（应对故障）、安全性与完整性控制（防止数据泄露或异常）、性能监督与优化（如索引调整）、数据库重组与重构（适应需求变化）。 |
2. 分布式数据库
分布式数据库系统（Distributed DataBase System，DDBS）是为满足“地理上分散、管理上需一定集中”的需求而提出的数据管理系统。若一个数据库系统满足分布性（数据分散存储在多个场地）、逻辑相关性（分散数据在逻辑上构成统一整体）、场地透明性（用户无需关注数据存储位置）、场地自治性（各场地可独立管理本地数据），则称为“完全分布式数据库系统”。
分布式数据库系统的核心特点
- 数据集中控制（全局统一管理，避免数据混乱）；
- 数据独立性（逻辑独立性：用户无需关注数据逻辑结构；物理独立性：无需关注数据存储位置）；
- 数据冗余可控（可保留必要冗余以提升查询效率，同时避免冗余过多导致一致性问题）；
- 场地自治性（各场地可独立处理本地事务，降低依赖）；
- 存取有效性（就近访问数据，减少网络传输开销）。
1) 分布式数据库体系结构
我国在分布式数据库研究与标准制定中，提出了4层抽象结构模式（得到国内外广泛认可），适用于同构型（各场地DBMS相同）和异构型（各场地DBMS不同）分布式数据库系统。4层结构及层间映射如下：
- 全局外层：面向用户，提供全局数据视图（用户可访问的全局数据）；
- 全局概念层：描述全局数据的逻辑结构（如全局关系模式），是分布式数据库的核心；
- 局部概念层：描述各场地本地数据的逻辑结构（如本地关系模式）；
- 局部内层：描述各场地数据的物理存储结构（如本地数据文件、索引）；
- 层间映射：实现不同层级数据的转换（如全局数据→本地数据、逻辑结构→物理结构），保障场地透明性。
2) 分布式数据库的应用领域
分布式数据库广泛应用于需跨地域、跨系统数据管理的场景，典型包括：
- 分布式计算（如分布式任务调度中的数据共享）；
- Internet应用（如电商平台的区域化数据存储）；
- 数据仓库（跨部门、跨地区的海量数据整合分析）；
- 数据复制（多场地数据同步，提升可用性）；
- 全球联网查询（如跨国企业的全球数据统一查询）；
- 典型产品：Sybase公司的Replication Server（分布式数据复制与同步系统）。
3. 常用数据库管理系统
随着计算机技术发展，数据库管理系统（DBMS）不断进化，可分为小型关系DBMS和大型关系DBMS两类，典型产品如下：
| 类别 | 代表产品 |
|---|---|
| 小型关系DBMS | MySQL（原属MySQL AB公司，2009年被Oracle收购）、Microsoft Access（桌面级DBMS） |
| 大型关系DBMS | Oracle（Oracle公司）、Microsoft SQL Server（微软公司）、IBM DB2（IBM公司） |
1) Oracle
Oracle是适用于大、中、微型计算机的高性能关系DBMS，核心特性包括：
- 结构完整：涵盖数据库内部结构、外存储结构、内存储结构和进程结构，不仅包含物理数据，还集成DBMS处理程序；
- 语言支持：使用PL/SQL（Procedural Language/SQL）语言执行数据操作，支持过程化编程；
- 功能扩展：Oracle 8及以上版本支持面向对象结构（如抽象数据类型）；
- 产品体系：包括数据库服务器、开发工具（如PL/SQL Developer）、连接产品三类，还提供逻辑备份工具（Export/Import）等辅助工具。
2) IBM DB2
DB2是IBM推出的分布式关系DBMS，核心特性包括：
- 跨源查询：支持在同一条SQL语句中查询不同Database甚至不同DBMS的数据；
- 功能全面：支持面向对象编程、多媒体应用、备份恢复、存储过程与触发器、SQL查询、异构分布式访问、数据复制；
- 跨平台：采用多进程多线索体系结构，可运行于Windows、Linux、UNIX等多种操作系统；
- 开发工具：配套Visualizer、Visualage、Visualgen等设计与开发工具。
3) Sybase
Sybase是20世纪80年代中期推出的首款基于客户机/服务器（C/S）结构的关系DBMS，核心组成包括：
- Sybase SQL Server：联机关系DBMS，负责数据库管理与维护；
- Sybase SQL Toolset：前端开发工具集，支持数据库应用系统搭建；
- Sybase OpenClient/OpenServer：接口组件，实现异构环境下的软件与数据连接；
- 核心产品：Adaptive Server Enterprise（企业级高性能DBMS）、EAServer（电子商务应用服务器）、PowerDesigner（系统分析设计工具）、PowerBuilder（应用开发工具）。
4) Microsoft SQL Server
SQL Server是微软推出的典型关系DBMS，核心特性包括：
- 跨平台：可运行于Windows、Linux等操作系统；
- 语言支持：使用Transact-SQL（T-SQL）语言完成数据操作；
- 核心组件：包括Open Data Services（开放数据服务）、MS SQL Server（数据库核心服务）、SQL Server Agent（自动化任务调度）、MSDTC（分布式事务协调）；
- 数据平台工具：涵盖关系型数据库、复制服务、通知服务、集成服务（ETL）、分析服务（OLAP）、报表服务、管理工具（如SSMS）和开发工具（如Visual Studio）。
4. 大型数据库管理系统的特点
大型DBMS（如Oracle、SQL Server、DB2）针对企业级应用设计，核心特点可概括为7点：
- 网络环境适配：支持C/S（客户机/服务器）和B/S（浏览器/服务器）两种架构，满足分布式应用需求；
- 大规模应用支撑：可支持数千并发用户、上百万事务/秒的处理能力，以及数百GB甚至PB级的数据容量；
- 并发控制高效：提供自动锁功能，确保多用户并发访问时的数据安全性与效率（避免脏读、不可重复读等问题）；
- 安全性高：具备多层安全防护（如用户认证、权限控制、数据加密、审计日志），保障数据不泄露、不被篡改；
- 数据可靠性强：提供灵活的备份恢复方法（如全量/增量/差异备份）、设备镜像功能，结合操作系统容错机制，最大限度减少意外故障导致的数据丢失；
- 完整性保障：支持多种数据完整性约束（实体完整性、域完整性、参照完整性、用户自定义完整性），防止无效数据录入；
- 分布式处理便捷：内置分布式数据管理功能，支持跨场地数据访问、分布式事务处理，降低跨系统数据整合难度。
2.3.4 文件系统
在操作系统中，文件系统是实现文件统一管理的核心模块，负责抽象硬件存储细节、提供便捷的文件存取接口，并保障文件的安全性与可用性。以下从文件与文件系统的定义、文件分类、结构组织、存取与存储管理、共享与保护五个维度展开详细说明：
1. 文件与文件系统
1.1 文件（File）
文件是具有符号名、在逻辑上完整的一组相关信息项的集合，例如源程序、文档、图片、数据表格等均可视为文件。它是操作系统提供的“抽象机制”，核心作用是：
- 隐藏硬件存储细节（如磁盘物理地址、读写指令），用户无需了解存储原理，仅通过文件名即可存取信息；
- 实现信息的长期保存与复用，将数据稳定存储于外存（如硬盘、U盘）中。
一个完整的文件包含两部分：
- 文件体：文件的实际内容（如文档的文字、程序的代码）；
- 文件说明（文件控制块/FCB）：操作系统管理文件的元信息，包括：
- 标识信息：文件名、文件内部唯一标识；
- 存储信息：文件存储地址（外存物理块号）、文件长度；
- 管理信息：文件类型（如文本、可执行）、访问权限（只读/读写）、建立时间、最后访问时间。
1.2 文件系统
文件系统是操作系统中负责文件管理的一组软件、数据结构（如目录、索引表）的集合，其核心功能是为用户和应用程序提供高效、安全的文件操作能力，具体包括：
- 按名存取：用户通过文件名访问文件，无需记忆物理存储地址（区别于“按地址存取”）；
- 统一用户接口：在不同存储设备（如硬盘、U盘）上提供一致的操作接口（如
read()/write()函数），简化编程与使用； - 并发访问控制：支持多道程序同时访问文件，通过锁机制避免数据冲突（如防止两个程序同时修改同一文件）；
- 安全性控制：为不同用户分配不同访问权限（如文件主可读写、其他用户仅可读），防止未授权操作；
- 性能优化：通过缓存、索引等技术提升文件存储效率、检索速度与读写性能；
- 差错恢复：验证文件完整性（如校验和），并提供故障恢复能力（如断电后恢复未保存的文件数据）。
2. 文件的类型
文件分类的目的是优化管理效率、适配不同使用场景。常见分类方式如下：
| 分类维度 | 具体类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 1. 性质与用途 | 系统文件、库文件、用户文件 | - 系统文件：操作系统核心文件（如Windows的kernel32.dll），仅系统可修改；- 库文件：预编译的函数库（如C语言的 stdio.h），供程序调用；- 用户文件：用户创建的文件（如文档、代码）。 |
| 2. 保存期限 | 临时文件、档案文件、永久文件 | - 临时文件：程序运行中临时生成，退出后自动删除（如浏览器缓存）； - 档案文件：长期归档的重要数据（如企业财务报表）； - 永久文件：需长期保存的用户数据（如个人照片）。 |
| 3. 保护方式 | 只读文件、读写文件、可执行文件、不保护文件 | - 只读文件：仅允许读取，禁止修改（如系统配置文件）； - 可执行文件：可直接运行的程序（如 .exe文件）；- 不保护文件：无访问限制（风险较高，较少使用）。 |
| 4. UNIX系统特殊分类 | 普通文件、目录文件、设备文件（特殊文件） | - 普通文件：文本、二进制等常规文件； - 目录文件：存储目录项（文件名与FCB的映射）； - 设备文件：将硬件设备抽象为文件（如 /dev/sda代表硬盘），通过文件操作控制设备。 |
| 5. 常用文件系统类型 | FAT、VFAT、NTFS、Ext2、HPFS | - FAT/VFAT：早期Windows/DOS的文件系统，支持容量较小（如FAT32最大支持2TB）； - NTFS：Windows主流文件系统，支持权限管理、加密、大容量（最大支持256TB）； - Ext2：Linux早期主流文件系统，无日志功能； - HPFS：OS/2系统的文件系统，支持长文件名。 |
3. 文件的结构和组织
文件的结构分为“逻辑结构”（用户视角）和“物理结构”（实现视角），两者共同决定文件的存取效率与管理方式。
3.1 文件的逻辑结构（用户视角）
逻辑结构是用户感知到的文件组织形式，用户仅需通过文件名即可访问，无需关注物理存储。分为两类：
1) 有结构的记录式文件
由一个或多个“记录” 构成，每个记录对应一个实体的信息（如“学生记录”包含学号、姓名、年龄）。
- 按记录长度分类：
- 定长记录：所有记录长度相同（如每个学生记录占32字节），存取效率高；
- 不定长记录：记录长度不同（如不同学生的备注信息长度不同），灵活性高但管理复杂。
- 适用场景：数据需结构化管理的场景（如数据库表、员工信息表）。
2) 无结构的流式文件
由一串连续的字节流构成，不划分记录（如文本文件、二进制文件）。
- 特点：文件长度以字节为单位，访问时通过“读写指针”定位下一个操作位置；
- 适用场景：大多数普通文件（如
.txt文档、.jpg图片、.exe程序），可视为“记录式文件的特例”（仅含一个记录）。
3.2 文件的物理结构（实现视角）
物理结构是文件在外存物理块上的存放方式，决定了“逻辑块号→物理块号”的映射关系，直接影响文件存取速度。常见物理结构如下：
| 物理结构 | 核心原理 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 1. 连续结构（顺序结构） | 逻辑连续的文件信息，依次存放在连续的物理块中（如文件占物理块10、11、12）。 | 存取速度快（可连续读取，减少磁头移动）；实现简单。 | ① 需预先分配连续空间，易产生“碎片”（如磁盘剩余空间总和足够，但无连续块）； ② 文件长度难以动态扩展。 |
长度固定、访问频繁的文件（如系统引导文件）。 |
| 2. 链接结构（串联结构） | 逻辑连续的文件信息，存放在不连续的物理块中，每个物理块含“指针”指向next块。 | ① 无需连续空间，利用率高； ② 文件长度可动态扩展。 |
① 只能顺序存取（需从第一个块开始遍历指针），随机访问效率低； ② 指针损坏会导致文件断裂。 |
顺序访问的大型文件（如日志文件）。 |
| 3. 索引结构 | 逻辑块存放在不连续物理块中，系统为文件建立索引表（记录逻辑块号→物理块号的映射），索引表起始地址存于FCB中。 | ① 支持随机访问（直接查索引表找物理块）； ② 无碎片问题，文件易扩展。 |
① 需额外存储索引表，占用磁盘空间； ② 小文件的索引表开销占比高。 |
需随机访问的文件（如数据库文件、办公文档）。 |
| 4. 多个物理块的索引表 | 当文件过大，索引表需占用多个物理块时，采用“链接文件”或“多重索引”组织索引表： - 链接文件：索引块间用指针串联； - 多重索引：一级索引指向二级索引，二级索引指向物理块（如UNIX的i节点）。 |
支持超大文件（如GB级、TB级）存储。 | 多重索引需多次查找（如三级索引需查3次），开销略高。 | 超大文件（如视频文件、大型数据库）。 |
4. 文件存取的方法和存储空间的管理
4.1 文件的存取方法
存取方法是指读写外存物理块的方式，分为两类：
- 顺序存取：按文件逻辑顺序依次读写（如从文件开头→结尾），适用于流式文件、链接结构文件（如播放视频、读取日志）；
- 随机存取（直接存取）：可按任意次序读写指定物理块（如直接修改文件第100行内容），适用于索引结构文件（如数据库查询、编辑文档）。
4.2 文件存储空间的管理
外存（如硬盘）空间需统一管理，核心是记录“空闲块”与“占用块”，并高效分配/回收空间。常用管理方法如下：
| 管理方法 | 核心原理 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
| 1. 空闲区表 | 将连续的未分配区域（空闲区）记录在“空闲区表”中，每个表项含：空闲区序号、起始块号、块数、状态。 | 实现简单，适合连续结构文件的空间分配。 | ① 需遍历表查找满足需求的空闲区； ② 易产生碎片。 |
连续结构文件系统（如早期FAT）。 |
| 2. 位示图 | 用“位”表示物理块状态：1=占用，0=空闲（如32位字长的计算机，1个字可表示32个物理块）。 | ① 占用空间小（如1TB硬盘仅需128MB位示图）； ② 查找空闲块高效（位运算快速定位）； ③ 适配所有物理结构。 |
需将位示图加载到内存，内存开销随磁盘容量增加。 | 各类文件系统（如NTFS、Ext2）。 |
| 3. 空闲块链 | 所有空闲块用“指针”串联成链表，头指针存于系统管理块中；分配时取头块，回收时插入链表。 | ① 无需额外数据结构（无空闲区表/位示图）； ② 分配/回收效率高。 |
① 只能顺序查找空闲块，大块分配慢； ② 链表断裂会丢失空闲块。 |
链接结构文件系统（如早期UNIX）。 |
| 4. 成组链接法 | UNIX系统采用：将空闲块分成若干组（如每组100块），每组第1块记录“下一组块号”和“本组块数”；最后一组的“下一组块号”为0。 | ① 结合空闲块链与索引的优点，分配/回收高效； ② 支持大块分配。 |
实现较复杂。 | 大型文件系统（如UNIX、Linux）。 |
5. 文件共享和保护
5.1 文件的共享
文件共享是指不同用户/进程使用同一文件，可节省存储空间、减少复制开销。核心是通过“目录链接”实现，常见方式有两种：
| 共享方式 | 核心原理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 1. 硬链接 | 两个文件目录项（文件名）指向同一个索引结点（i节点），即“不同文件名对应同一文件实体”。 | ① 共享效率高（无数据复制）； ② 删除一个文件名不影响文件实体（需删除所有硬链接才回收空间）。 |
① 不能跨文件系统（索引结点是文件系统内唯一的）； ② 文件主删除文件需先关闭所有硬链接，否则会导致其他用户“指针悬空”。 |
| 2. 符号链接（软链接） | 新建一个“符号链接文件”，内容是原文件的路径名；访问时，系统通过路径名找到原文件。 | ① 可跨文件系统（甚至跨网络）； ② 原文件删除后，符号链接仅提示“文件不存在”，无悬空问题。 |
① 访问需额外解析路径（效率略低）； ② 符号链接文件本身占用少量空间。 |
5.2 文件的保护
文件保护是防止未授权访问或误操作，核心是“存取控制”，常用方法如下：
| 保护方法 | 核心原理 | 特点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 1. 存取控制矩阵 | 二维矩阵：行=用户，列=文件，矩阵元素=用户对文件的权限（如R=读、W=写、X=执行）。 | 理论完整，但矩阵过大（如1000用户×10万文件=1亿元素），无法实际存储。 | 仅用于理论分析，不落地实现。 |
| 2. 存取控制表 | 按文件分组，为每个文件建立“存取控制表”，记录“用户组→权限”（如UNIX将用户分为：文件主、同组用户、其他用户）。 | ① 简化矩阵（仅记录相关用户组）； ② 实现灵活。 |
主流文件系统（如UNIX、Linux、NTFS）。 |
| 3. 用户权限表 | 按用户分组，为每个用户建立“权限表”，记录“文件→权限”（相当于存取控制矩阵的一行）。 | 查找效率高（用户访问文件时直接查自己的权限表）。 | 多用户系统（如大型主机）。 |
| 4. 密码保护 | 创建文件时用户设置密码，文件存储时加密；读取时需输入密码解密。 | 实现简单，安全性高（仅知密码者可访问）。 | ① 密码丢失则无法访问； ② 加密/解密有性能开销。 |
2.3.5 网络协议
在计算机网络中，不同设备（如计算机、路由器）间要实现数据交换与资源共享，必须遵循统一的“通信规则”，这一规则即网络协议。
协议的定义
协议是指网络中实体（设备/进程）通信时必须遵循的约定，明确规定了：
- 数据格式（如报文的字段结构、编码方式）；
- 传输时序（如“先发请求、后发响应”的顺序）；
- 控制信息（如差错校验码、确认信号）；
- 应答机制（如接收方收到数据后需反馈“ACK”）。
常用网络协议分类
根据网络覆盖范围与功能，常用协议可分为：
- 局域网协议（LAN）：用于局域网内设备通信，如Ethernet（以太网协议）、Wi-Fi（802.11协议）；
- 广域网协议（WAN）：用于跨地域网络通信，如PPP（点对点协议）、Frame Relay（帧中继协议）；
- 无线网协议：用于无线设备通信，如Bluetooth（蓝牙协议）、5G NR（5G新空口协议）；
- 互联网协议簇（TCP/IP）：互联网的核心协议，包含TCP（传输控制协议，可靠传输）、IP（网际协议，路由选择）、HTTP（超文本传输协议，网页访问）、DNS（域名系统，域名解析）等。
2.3.6 中间件
一、中间件的定义与核心价值
1. 定义
中间件（Middleware）是一类介于应用软件与系统软件（操作系统、网络、数据库）之间的基础软件，通过提供标准化编程接口和协议，实现“承上启下”的衔接作用。
2. 核心价值
- 降低开发成本：避免应用软件为适配不同操作系统/硬件单独开发版本，使开发脱离对具体底层环境的依赖；
- 实现跨平台兼容：确保应用软件在不同系统（如Windows、UNIX、Linux）上能运行并实现相同功能；
- 属于可复用基础软件：部分观点认为中间件可归为操作系统的延伸，但主流认知中其是独立的基础软件类别，定位在系统软件之上、应用软件之下。
二、中间件的分类（按分布式系统职责划分）
根据在分布式系统中承担的核心任务，中间件可分为8大类，各类别功能、类比说明及代表产品如下：
| 类别 | 核心功能 | 类比说明（帮助理解） | 代表产品/技术 |
|---|---|---|---|
| 1. 通信处理（消息）中间件 | 实现跨平台、可靠、高效的实时数据传输，解决分布式系统中不同模块的通信问题 | 类似“交通红绿灯+交通管理规则”，保障数据传输“畅通有序” | BEA eLink、IBM MQSeries、TongLINK；Windows等网络OS已包含部分基础功能 |
| 2. 事务处理（交易）中间件 | 管理分布式事务（如跨多服务器的订单支付），确保事务原子性（全成/全败）；支持并发调度、负载均衡、故障自动恢复，保障系统“永不停机” | 类似“交通调度中心”，监控运输状态、处理拥堵/故障，确保运输高效可靠 | BEA Tuxedo（核心代表，在OLTP场景中广泛应用） |
| 3. 数据存取管理中间件 | 统一管理分布式系统中异构数据（关系型、文档型、加密/压缩多媒体数据），提供虚拟缓冲存取、格式转换、解压等便捷操作 | 类似“数据中转站”，适配不同格式数据的“装卸与转换” | 无明确单一代表产品，多为各厂商针对特定数据场景开发的专用组件 |
| 4. Web服务器中间件 | 弥补浏览器缺陷（会话能力差、不擅长数据写入、HTTP协议限制多），扩展Web交互功能 | 类似“浏览器功能增强插件”，提升Web端与后端的交互能力 | SilverStream公司相关产品 |
| 5. 安全中间件 | 解决军事、政府、商务等敏感领域的网络安全问题（如加密、认证、权限控制），需使用国产产品规避外部安全风险 | 类似“网络安全门禁”，阻挡未授权访问、保护数据隐私 | 无明确通用代表，多为国内厂商开发的专用安全组件（如国密算法适配中间件） |
| 6. 跨平台和架构中间件 | 集成分布式系统中不同平台（Windows/UNIX/Linux）、不同版本的构件，实现架构级兼容 | 类似“多语言翻译器”，让不同平台的“组件”能相互协作 | CORBA（跨任意平台，功能强但庞大）、JavaBeans（灵活轻量，适合浏览器，效率待提升）、COM+（仅适配Windows，桌面端广泛使用） |
| 7. 专用平台中间件 | 为特定领域（如电子商务、网站建设）设计参考模式与架构，配置专用构件库，支撑领域关键任务的开发与运行 | 类似“行业专用生产线”，为特定场景提供“定制化生产工具” | 无通用代表，多为针对电商、政务等领域的垂直化中间件（如电商交易流程中间件） |
| 8. 网络中间件 | 涵盖网络管理、接入控制、网络测试、虚拟社区、虚拟缓冲等功能，是当前热门研发方向 | 类似“网络基础设施维护工具集”，保障网络基础功能正常运行 | 无明确单一代表，多为网络设备厂商或OS厂商开发的配套组件（如网管软件、虚拟缓冲插件） |
三、主流中间件产品介绍
1. IBM MQSeries（消息处理中间件核心产品）
核心定位
工业级消息传输系统，用于集成分布式系统的多个分支应用，通过“消息传递”完成整个工作流程。
核心组成
- 信息传输系统：负责消息的存储、路由与分发；
- 应用程序接口（API）：提供标准化调用方式；
- 核心资源：消息（数据载体）、队列（消息暂存容器）。
关键功能
- 可靠传输：即使网络不稳定或应用故障，也能保证消息不丢失、不阻塞（基于异步消息处理技术）；
- 多平台兼容：支持所有主流计算平台与通信模式，适配Internet、Java等技术；
- 生态对接：提供与Lotus Notes、SAP/R3等主流产品的连接接口。
2. BEA Tuxedo（事务处理中间件核心产品）
核心定位
电子商务交易专用平台，专注解决分布式交易的完整性、高可用性与高效性问题。
关键功能
- 事务完整性保障：支持跨多数据库的协调更新，确保交易原子性；
- 故障自动恢复：持续监视应用、交易、网络、硬件状态，故障时自动排除故障构件并执行恢复步骤；
- 智能负载均衡：根据系统负载自动启停应用服务，均衡资源占用；
- 灵活路由与异步协作：通过DDR（数据依赖路由）按消息上下文选路；支持交易队列，实现“少连接”异步协同；
- 安全与兼容：LLE安全机制保障数据保密；提供50+硬件/OS的统一API；
- 便捷管理：基于网络的图形界面，简化电子商务系统的部署与运维。
2.3.7 软件构件
一、软件构件的定义与核心特性
1. 定义
软件构件（又称组件）是自包容、可复用的程序集，可以源程序或二进制代码形式存在，对外提供统一访问接口——外部只能通过接口调用功能，无法直接操作内部逻辑。
2. 核心特性
- 自包容性：构件内部逻辑独立，无需依赖外部非标准资源；
- 可复用性：可在不同系统或场景中重复调用，降低开发成本。
二、软件构件的组装模型
1. 核心思路
采用“搭积木”式开发：先通过需求分析定义软件功能，再设计构件组装结构（划分构件集合、明确构件间关系），最后独立开发/重用/采购构件，通过接口实现构件协作。
2. 开发过程
需经历“需求分析→构件结构设计→构件获取（开发/重用/采购）→构件组装→系统测试”流程（具体参考图2-9）。
3. 优缺点
| 类别 | 具体内容 |
|---|---|
| 优点 | 1. 扩展性强：构件自包容，新增/替换构件无需改动整体系统； 2. 成本低：可重用已有构件，减少重复开发； 3. 开发灵活：可拆分任务，团队并行开发不同构件。 |
| 缺点 | 1. 设计门槛高：需经验丰富的架构师设计构件结构，否则难以复用； 2. 性能妥协：为追求复用性，可能牺牲部分性能； 3. 学习成本高：开发人员需熟练掌握构件接口与使用规则； 4. 质量风险：第三方构件质量不可控，可能影响整体系统稳定性。 |
三、商用构件的标准规范
主流规范主要有三类，分别面向跨平台、Java生态、Windows平台，核心差异体现在适配场景与技术架构：
| 规范名称 | 发起方 | 核心架构与功能 | 关键组成/技术点 |
|---|---|---|---|
| CORBA | OMG（对象管理组织） | 跨任意平台的分布式构件规范，通过“软总线”实现异构系统互操作，分三层架构： 1. 底层ORB（对象请求代理）：定义接口与语言映射，实现对象通信； 2. 中间公共服务：提供并发、名字、事务、安全等基础服务； 3. 上层公共设施：定义构件框架，提供业务协作协定。 |
核心是CORBA CCM（构件模型），包含： 1. 抽象构件模型：描述构件结构与互操作规则； 2. 构件容器：提供运行/管理环境，集成安全、事务等服务； 3. 配置打包规范：管理构件二进制代码、多语言版本与配置文档。 |
| J2EE | Sun公司 | 基于Java的企业级分布式应用规范，支持跨平台，适配多层架构，核心解决服务器端构件开发问题。 | 1. 通信协议：支持RMI（远程方法调用）、IIOP（互联网ORB协议）； 2. 服务器端形式：Servlet（处理请求）、JSP（生成页面）、EJB（业务逻辑，分会话Bean-维护会话、实体Bean-处理事务）； 3. 定位：EJB是业务逻辑层中间件，与Servlet、JSP共同构成应用服务器标准。 |
| DNA 2000 | Microsoft | 基于Windows平台的分布式计算架构，扩展自Windows 2000，融合事务处理、集群、异步消息等技术，适配微软生态。 | 1. 核心技术：DCOM/COM/COM+（构件对象模型），从桌面OLE扩展到分布式应用； 2. 服务器端支持：ASP（动态网页）、Cluster（集群）； 3. COM+增强：集成负载均衡、对象池、事务服务（MTS），统一COM、DCOM功能，面向服务器端业务逻辑。 |
2.3.8 应用软件
一、应用软件的定义
应用软件是为解决特定领域问题、满足用户具体需求而设计的程序集合，建立在系统软件（操作系统、数据库等）之上，可分为个人用户与企业用户两类场景。
二、应用软件的分类（按开发方式与适用范围）
1. 通用软件
定义
面向大众通用需求开发，可在不同用户、不同场景中直接使用，无需定制。
常见类型（见表2-3）
特点
- 易用性强：设计精巧，用户无需培训即可上手；
- 普及性高：覆盖大众高频需求，是计算机普及的核心支撑。
2. 专用软件（定制软件）
定义
按特定领域用户的个性化需求定制开发，仅适配单一机构或场景。
常见案例
- 超市：销售管理与市场预测系统；
- 制造业：汽车厂集成制造系统；
- 教育：大学教务管理系统；
- 医疗：医院信息管理系统；
- 服务业：酒店客房管理系统。
特点
- 专用性强：功能与用户业务深度绑定，无法通用；
- 成本高：定制开发周期长、投入大，价格远高于通用软件；
- 用户群体：以企业、机构用户为主，个人用户极少使用。
三、应用软件的共同特点
所有广泛使用的应用软件，均具备以下核心价值：
- 替代与优化：可替代现实工具（如文字处理替代纸笔、电子表格替代纸质报表），且使用更便捷、效率更高；
- 能力扩展：能完成现实工具难以实现或无法实现的任务（如大数据分析、3D建模），延伸用户的工作与创作能力。