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操作系统引论

一、 操作系统的目标、作用和模型

操作系统的定义：

一组控制和管理计算机硬件和软件资源，合理地对各类作业进行调度（多道），方便用户使用的程序的集合。

1. 目标
   方便性：用户无需了解底层硬件，无需用0、1机器语言操作。
   有效性：CPU、I/O、存储等的管理专门、合理地被组织管理起来，提高资源的利用率。
   可扩充性：扩充应用软件；适应硬件和体系结构发展，扩充底层管理功能模块等。
   开放性：网络环境，遵循开放互联标准。方便性：用户无需了解底层硬件，无需用0、1机器语言操作。
2. 作用
   作为用户与计算机硬件系统之间的接口
   作为计算机系统资源的管理者
   用作扩充机器

二、操作系统的发展过程

1. 人工操作方式

   1)1946-50年代中：电子管时代，计算机速度慢，无操作系统，计算机资源昂贵；
   2)工作方式：
   用户：既是程序员又是操作员；用户是计算机专业人员；
   编程语言：机器语言；
   输入输出：纸带或卡片；
   3) 计算机工作特点：用户独占全机，资源利用率极低；CPU等待用户，计算前，手工装入纸带或卡片；计算完成后，手工卸取纸带或卡片；CPU利用率低；
   4) 主要矛盾：人机矛盾----人工操作严重降低了计算机资源的利用率
   5)提高效率的途径：脱机输入/输出技术。

2. 脱机输入/输出(Off-Line I/O)方式

   1） 等待人工操作纸带输入数据的不是CPU,而是外围机，一定程度上解决人机矛盾。
   2） 脱机I/O方式的主要优点：减少了CPU的空闲时间提高I/O速度 脱机I/O方式的主要缺点：系统开销大！

3. 单道批处理系统(Simple Batch Processing System)

   1） 作业成批处理，内存中只有一道。 作业成批、脱机方式输入到磁带或磁盘上进一步减少脱机I/O中装卸磁带等耗时操作；系统监督程序(Monitor)控制作业自动过渡，一个接一个的连续处理。
   2） 特征：单道性、顺序性、自动性
   3）优点： 一定程度解决人机矛盾，CPU与I/O速度矛盾； 提高了资源利用率和系统吞吐量； 算做OS的前身，但还不是现在所理解的OS。

4. 多道批处理系统

   1） 用户作业、外存上排队，称为“后备队列”；作业调度程序、按一定的算法、从后备队列中选择若干作业 调入内存入内存的作业、共享CPU和系统中的各种资源，自动批量处理。
   2）优点
   CPU利用率提高：减少了CPU等待时间（正在运行的程序若因为I/O操作暂停，可调度其他程序执行，不必装卸。）
   内存利用率提高：容量尽可能多的被利用多种I/O设备并发被使用，也提高了利用率总体à系统吞吐量增加（虽然CPU总是串行的，但一段时间内被运行的作业数相对要多）
   3） 特征
   多道性
   无序性:作业入内存由算法决定，不按提交顺序。入内存后顺序执行。
   调度性:包括作业调度、进程调度。
   4） 缺点
   平均周转时间长：短作业的周转时间显著增长；无交互能力：整个作业完成后或中间出错时，才与用户交互，不利于调试和修改；

5. 分时系统(time-sharing system)

   1） 分时系统实现中的关键问题 ：
   交互：当用户在自己的终端上键入命令时，系统应能及时接收并及时处理该命令，再将结果返回给用户。
   共享：强调即使有多个用户同时通过自己的键盘键入命令，系统也应能全部地及时接收并处理。
   (1)及时接收：多路卡，缓冲区
   (2)及时处理：终端请求作业直接进入内存，设置时间片
   2）分时系统的实现方法
   改变批处理系统的运行方式：多个用户连接主机；请求的作业发送到主机后，直接进入主机内存以快速响应；系统采用时间片轮转方式处理服务请求
   3）分时系统的特征：
   多路、独立、及时、交互。
   多路性：多个用户同时使用一台计算机,共享CPU和其他资源，充分利用系统资源。
   独立性：用户感觉不到计算机为其他人服务，各用户独立操作，互不干扰。
   及时性：通过时间片技术和轮转调度算法保证及时响应。
   交互性：系统及时响应用户的请求，显著提高调试和修改程序的效率：缩短了周转时间。

6. 实时系统(Real-Time System)

   1）实时系统是指：
   系统能及时(或即时)响应外部事件的请求，在规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时任务协调一致地运行。
   2）实时系统的引入
   （1）实时控制
   如：火箭发射随时停止，实时根据采集数据进行处理
   （2）实时信息处理
   订票系统等，短时间内为用户做出正确回答
   3）实时系统的实现
   系统必修有能够保证其承担的多个任务在规定的时间完成，调度和能力是关键。
   按任务执行时是否呈现周期性来划分：周期性实时任务、非周期性实时任务——截止时间。
   根据对截止时间的要求来划分：硬实时任务、软实时任务。

三大基本操作系统的比较

三、 操作系统的基本特性

各种典型操作系统各有特色，但均具有共同的基本特征：

并发：多道并发是最根本的特征

共享

虚拟

异步

1.并发concurrence

并行性：两个或多个事件在同一时刻发生 并发性：两个或多个事件在同一时段发生

理解CPU并发：

单处理器系统中，多道程序在宏观上看似并行，实际在微观上是多道程序占用cpu交替执行的，并不是真正的“并行”。多处理器系统才有CPU并行。

单处理器系统中的并行：

在硬件技术支持的条件下，CPU 和 I/O操作能实现并行，这也是多道程序设计能够提高效率的原因之一。

2.共享sharing

系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程(线程)共同使用。主要有两种共享方式： 互斥共享方式： 对临界资源（如打印机）采用该方式，资源分配给某进程后未释放前，不能被其他进程所用。 临界资源(独占资源)：一段时间内只允许一个进程访问的资源。

同时访问方式：

对允许“同时”访问的资源（如磁盘）采用该方式，但“同时”仍然是“宏观并行微观串行”的，不是真正的同时

３. 虚拟virtual

通过某种技术把一个物理实体变为若干个逻辑对应物（用户感觉上的东西），两种实现方式： 时分复用： 一个物品被多人分时使用，在一段时间内就表现为每个人都有一个该物品可用，1虚拟为n。

空分复用：

一个物品划分为多个部分，多个人每人都有一部分可用，主观上看也是1虚拟成n。

４.异步性asynchronism

指进程的执行顺序和执行时间的不确定性

进程的运行速度不可预知：

由于资源等因素限制，进程通常不能一气呵成地执行完，多个进程并发执行是“时走时停”的，不可预知每个进程的运行推进快慢；

允许异步，但结果应正确：

只要环境相同，无论快慢，结果应该相同（可再现性），这需要进程互斥和同步手段来保证。

四、操作系统的主要功能

1.处理机管理功能

传统多道程序系统，处理机分配和运行都以进程为基本单位，对处理机的管理，就是对进程的管理。引入线程后，也包括对线程的管理。 主要解决内存中多道并发执行的“进程”如何占用CPU,如何运行的问题。

1）进程控制：

为作业创建进程、撤销已结束的进程，控制进程在运行过程中的状态转换。以及线程的创建撤销等。 （可理解为对单个进程基本信息进行管理） 2）进程同步： 为多个进程运行进行协调（包括互斥和同步） 3）进程通信： 用来实现在相互合作进程间的信息交换；（直接通信和网络通信） 4）调度： 作业调度（入内存）和进程调度（分配CPU）

2. 存储器管理功能

1）内存分配： 为每道程序分配内存空间（包产到户）具体分配涉及许多细节： 分配方式：动态、静态 分配机制需要的数据结构、分配算法、回收内存功能。 2）内存保护： 确保每道用户程序都只在自己的内存空间中运行 需要一个硬件——界限寄存器，存放正在执行进程的内存上下界，每条指令的访问地址都要进行越界检查，一般用硬件实现检查。 3）地址映射(变换)： 进程的逻辑地址到内存物理地址的映射。 程序编译形成的目标程序地址都是从0开始，是逻辑地址 真正调入内存某个空间存放的地址是物理地址 4）内存扩充： 用虚拟存储技术解决内存容量不足的问题； 请求调入功能 页面置换功能

3. 设备管理功能

1）缓冲管理：匹配CPU和外设的速度，提高两者的利用率和并行操作程度； 2）设备分配：按某种设备分配策略，为之分配所需的设备; 应设置设备控制表等数据结构记录设备及其控制器的标识符和状态;不同的设备，分配方式不同 3）设备处理：设备处理程序即驱动程序，及时X响应设备控制器请求，实现CPU和设备控制器之间的通信。

4. 文件管理功能

1）存储空间的管理：分配外存空间，提高外存的利用率，提高文件系统的运行速度; 需要相应的数据结构，记录文件存储空间的使用情况；要有对存储空间分配和回收的功能 2）目录管理：为文件建立目录项，并有效组织，实现方便的按名存取;提供快速的目录查询手段，提高文件检索速度；还需实现文件共享。 3）文件的读写管理和保护： 读写操作与有效的存取控制功能。

5. 用户接口

1）命令接口 用户可通过键盘终端发出命令以控制作业的运行。 联机用户接口：由一组磁盘操作命令和命令解释程序组成。 脱机用户接口：由一组作业控制语言组成，如批处理文件。 2）程序接口 用户程序在执行中访问系统资源而设置，由一组系统调用组成。 早期汇编语言才能使用，后高级语言及C语言中都给出了系统调用对应的库函数。 3）图形接口

五、操作系统的结构

1.传统的OS结构

1）无结构OS 早期开发OS，只追求实现和效率，缺乏贯穿的设计思想。是一组过程的集合。 问题： 过程互相调用，没有清晰的结构； 程序错误很多，调试复杂，阅读维护困难。

2）模块化OS结构

20世纪60年代出现的一种程序设计技术。基于“分解”和“模块化”原则来控制大型软件的复杂度。 制定功能模块 规定各模块接口 划分子模块 称为模块——接口的设计方法，关键是模块的划分和规定接口。

优点：

提高设计的正确性、可理解性和可维护性； 增强了OS的可适应性，可选用相应功能模块，也可进行增减和修补以满足新需求； 加速了开发过程。

问题：

设计初期，模块划分和接口规定不精确并且很难保证完全正确；接口规定与实际完成的模块需求不匹配会发生装配困难。 各模块的设计齐头并进，没有决策顺序，是一种“无序“模块，模块间仍会有复杂依赖关系，反而可能会使OS结构不清晰。

3）分层式OS结构

改进设计方式，变无序为有序——分层的思想 在物理机器上逐渐添加具有一定功能的软件层，每一层仅使用底层提供的功能和服务。（功能流水线） 优点： 易保证系统正确性 易扩充和维护 缺点： 分层单向依赖，执行一个功能，总要自下而上地穿越多层，增加系统通信开销，降低了效率。

2.微内核OS结构

Micro Kernel操作系统结构于20世纪80年代后期发展起来。尤其在多处理机环境下，更适用微内核技术。 与客户/服务器技术，面向对象技术同时发展起来的。微内核OS结构以OS为核心，以C/S为基础，采用了面向对象程序设计方法。 1）客户/服务器技术

2）面向对象技术

3）微内核

1）Client/Server模式

三部分组成：客户端、服务器、网络系统 交互方式：客户请求，服务器接收消息，回送消息，客户接收消息，四步。 优点：数据分布处理和存储；灵活可扩充，易于修改维护，仍方便集中管理。

2）面向对象编程技术

Object-Orientated Programming 具有相同属性、规则的事物抽象成对象，利用被封装的数据结构对具体对象实例进行操作。 进程、线程、消息、存储器都可抽象成对象。 可修改、扩充，具有继承性，容易保证正确和可靠性。

3）微内核

精心设计、实现一个可在其上构建通用OS的基础内核，该内核程序运行在核心态，开机常驻内存。 当前微内核操作系统结构仍没有一致公认的定义，但可从以下4方面进行描述： 1.足够小的内核 微内核并非一个完整的OS。与硬件紧密相关，实现较基本功能，复杂客户和服务器通信。 2.基于C/S模式 3.应用”机制与策略分离“原理 机制——实现某一功能的具体执行机构，位于基层；策略——借助某些参数和算法实现功能优化或达到不同功能目标，位于系统高层。 4.采用面向对象技术

微内核包含的基本功能 :

进程（线程）管理，包括进程调度、进程通信、进程同步等；低级存储管理；中断和陷入处理。 调度算法、虚拟内存的页面置换算法等都放入外部服务器中实现。

微内核的优点 :

灵活、可扩充：可选配功能服务器模块 增强可靠性：内核是稳定的核心，只有它能直接访问硬件。服务器在用户态出错绝不会导致系统瘫痪。 可移植性：操作系统绝大部分（各种服务器程序）与硬件平台无关，在不同硬件平台间移植时修改比较小。 该机制尤其适用于分布式系统。 采用面向对象技术，减少开发开销。

微内核存在的问题

运行效率降低 一次客户请求需要多次消息传递和用户/内核模式的上下文切换，开销增大。 有的服务需要借助其他服务，则需要的切换开销更大。 如何改善： 重新把一些常用基本功能由服务器移入内核。代价就是内核容量增大，接口定义和性能也将受影响。

微内核系统举例：

···Mach OS 美国卡内基梅隆Carngie-Mellon大学研制 它实现了一个微小的内核，包括线程调度、消息传递、虚拟内存和设备驱动。除这些之外，其它各种应用程序接口、文件系统、网络等等都运行在用户模式下。 然而，在Mach微内核操作系统的商用实现中，基本上所有的文件系统、网络和内存管理代码都运行在内核模式。因为纯微内核系统过于低效，在商用上是不切实际的。 ···Windows NT 是微内核的，严格意义上讲，是混合内核 它让一些微核结构运行在用户空间的代码运行在内核空间，这样让内核的运行效率更高些。 ···LINUX 单内核，层次化设计了模块机制

从整体上看，在当前的硬件条件下，微内核在效率上的损失小于其在结构上获得的收益，故而选取微内核成为操作系统的一大潮流。微内核结构将是21世纪的主流OS结构。它可有效支持多处理机，非常适用分布式系统。

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