计算机操作系统

读书笔记

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前言

  操作系统（OS）是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件系统的首次扩充。

  操作系统的主要作用：管理好这些设备，提高它们的利用率和系统的吞吐量。

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一、操作系统是什么

  操作系统是一组能有效地组织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，以及方便用户使用的程序的集合。

操作系统是一个控制程序

• 负责管理协调硬件、软件等计算机资源

• 为上层用户、应用程序提供简单易用的服务

• 是一种系统软件

操作系统是一个资源管理器

• 应用程序与硬件之间的中间层

• 管理计算机各种软件硬件资源

• 提供访问计算机软硬件资源的高效手段

• 解决资源访问冲突，保证资源的公平使用
  

二、操作系统的目标和作用

2.1 目标

主要目标：

• ① 方便性
    没有配置操作系统的计算机系统很难使用，所以，操作系统是为了提供方便用户使用计算机系统。

• ② 有效性
  第一层含义：提高系统资源的利用率。
  第二层含义：提高系统的吞吐量

• ③ 可扩充性

• ④ 开放性。
    所谓开放性，指系统能遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连OSI国际标准。事实上，凡遵循国际标准开发的硬件和软件，都能彼此兼容。

  方便性和有效性是设计OS时最重要的两个目标。

2.2 作用

• 1.OS作为用户与计算机硬件系统之间的接口

  意思是：OS处于用户与计算机硬件系统之间，用户通过OS来作用计算机系统。

• 2.OS作为计算机系统资源的管理者

  在一个计算机系统中通常包含多种硬件和软件资源，可以归为四类：处理机、存储器、I/O设备以及文件（数据和程序）。

  相应的OS的主要功能就是对这四类资源进行有效管理：
  ① 处理机管理用于分配和控制处理机
  ② 存储器管理主要负责内存的分配和回收
  ③ I/O设备管理负责I/O设备的分配（回收）与操纵
  ④ 文件管理用于实现对文件的存取、共享和保护

• 3.OS实现了对计算机资源的抽象

  实现对计算机资源的抽象，这是什么意思呢？

  我们以I/O设备为例，对于一台完全无软件的计算机系统（裸机），由于它向用户提供的仅是硬件接口（物理接口），因此，用户必须对物理接口的实现细节有充分的了解，这就导致物理机器难于广泛使用，为了方便用户使用I/O设备，人们在裸机上覆盖一层I/O设备管理软件，使用户能够方便的对I/O设备进行使用。换言之，就是在裸机上铺设的I/O软件隐藏了I/O设备的具体细节。

  通常我们将覆盖了上述软件的机器称为扩充机器或虚拟器。

  对其它资源部分，也和I/O设备一样，操作系统对其覆盖一层管理软件，以方便大众使用。

2.3 推动操作系统发展的主要动力

• ① 不断提高计算机资源利用率

• ② 方便用户

• ③ 器件的不断更新换代

• ④ 计算机体系结构的不断发展

• ⑤ 不断提出新的应用需求

三、操作系统的发展过程

  20世纪50年代中期—第一个简单的批处理OS，60年代中期—多道程序批处理系统，20世纪70到90年代—VLSI和计算机体系结构大大发展，使微型机、多处理机、计算机网络的诞生和发展。继而出现了微机OS、多处理机OS和网络OS。

3.1 未配置操作系统的计算机系统

• 人工操作

  早期，操作方式是程序员将事先已穿孔的纸带（或卡片），装入纸带输入机（或卡片输入机）。

人工操作缺点：

• ① 用户独占全机，即一台计算机的全部资源由上机用户独占。

• ② CPU等待人工操作。
  

3.2 脱机输入/输出方式

  这种方式就是将事先装有用户晨曦和数据的指点装入纸带输入机，在一台外围机的控制下，把纸带上的数据输入到磁带上，当CPU需要这些程序和数据时，再从磁带上高速调入内存。

优点：

• ① 减少了CPU的空闲时间

• ② 提高了I/O速度

3.3 单道批处理系统

  就是把一批作业以脱机的方式输入到磁带上，在系统中配置监督程序，在它的控制下，这批作业会一个接着一个进行。

  单道批处理系统解决了人机矛盾和CPU与I/O设备速度不匹配矛盾的过程中形成的。

  缺点：系统中的资源得不到充分利用。

3.4 多道批处理系统

  单道批处理系统对作业的处理虽然是成批的，但是内存中始终只保持一道作业，这使得系统中的资源得不到充分利用，所以就出现了多道批处理系统，IBM公司开发的OS/360操作系统是第一个能运行多道程序的批处理系统。

优点：

• ① 资源利用率高

• ② 系统吞吐量大

缺点：

• ① 平均周转时间长
  这是因为作业需要排队依次进行处理

• ② 无交互能力
  在作业进行时，用户不能与自己的作业进行交互，修改和调试及其不方便。

需要解决的问题：

1）处理机争用问题

2）内存分配和保护问题

3）I/O设备分配问题

4）文件的组织和管理问题

5）作业管理问题

6）用户与系统的接口问题

3.5 分时系统（Time Sharing System）

  推动分时系统形成和发展的主要动力是：为了满足用户对人—机交互的需求。

  用户的需求主要体现在：人—机交互。共享主机

分时系统的特征：

1）多路性

指的是系统将多台终端同时连接到一台主机上，并按分时原则为每个用户服务。

2）独立性

系统提供的用机环境，每个用户在各自的终端进行操作，彼此互不干扰。

3）及时性

指用户的请求能在很短的时间内获得响应。

4）交互性

指用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话。

3.6 实时操作系统

  实时系统是指系统能及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。

实时系统的类型：

1）工业（武器）控制系统

2）信息查询系统

3）多媒体系统

4）嵌入式系统

实时系统的任务类型：

1）周期性实时任务和非周期性实时任务

2）硬实时任务和软实时任务

3.7 个人电脑操作系统

3.8 分布式的操作系统

四、操作系统的基本特性

  前面介绍的多道批处理系统、分时系统、实时系统这三种基本操作系统都具有各自不同的特征，如批处理系统有着高的资源利用率和系统吞吐量；分时系统能获得及时响应；实时系统具有实时特征，除此之外，它们还共同具有并发、共享、虚拟和异步四个基本特征。

4.1 并发

  系统中的并发特征，使OS能够有效地提高系统中的资源利用率，增加系统的吞吐量。

• 并发与并行

并行：指两个或多个事件在同一时刻发生。

并发：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。

• 进程
    一个没有引入进程的系统，在属于同一个应用程序和I/O程序之间只能是循序执行。如果对内存中的多个程序都分别建立一个进程，它们就能并发的执行，这样就能大大提高系统资源的利用率，增加系统的吞吐量。

所谓进程：指在系统中能独立运行并作为资源分配的基本单位。

4.2 共享

  OS环境下的资源共享又称为资源复用，是指系统中的资源可供内存中多个并发执行的进程共同使用。这里在宏观上既限定了时间（进程在内存期间）又限制了地点（内存）。

  目前主要实现资源共享的方式有两种：

• ① 互斥共享方式

系统中的某些资源，如打印机，虽然能够提供给多个进程（线程）使用，但应规定的时间内，只允许一个进程访问该资源。

  这种在一段时间内只允许一个进程访问的资源，称为临界资源。

• ② 同时访问方式

  允许在一段时间内由多个进程“同时”对它们进行访问。这里的“同时”是宏观意义上的，微观上，这些进程资源的访问是交替进行的。

4.3 虚拟

  “虚拟”的技术最早出现在通信系统中，早期，每条物理信道只能提供一对用户通话，为了提高通信信道的利用率引入了“虚拟”技术。是通过“空分复用”和“时分复用”这两种技术，将一条物理信道变成若干条逻辑信道。

  OS中，把通过某种技术将一个物理实体变成若干个逻辑上的对应物的功能称为“虚拟”。

4.3.1 时分复用技术（多道程序技术）

  时分复用技术是通过利用处理机的空闲时间运行其它程序，提高处理机的利用率。

  时分复用技术能提高资源利用率的根本原因在于：它利用某设备为一用户服务的空闲时间，又转去为其他用户服务，使设备得到最充分的利用。

1）虚拟处理机技术

  利用多道程序设计技术，为每道程序提供一个进程，让多道程序并发执行。

2）虚拟设备技术

4.3.2 空分复用技术

  空分复用技术是利用存储器的空闲时间分区域存放和运行其它的多道程序，以提高内存的利用率。

  单纯的空分复用存储器只能提高内存的利用率，并不能实现在逻辑上扩大存储容器的功能，必须引入虚拟存储技术才能达到此目的。

  虚拟存储技术在本质上是实现内存的分时复用，即它可以通过分时复用内存的方式，使一道程序仅在远小于它的内存空间中运行。

  这里，我们应该知道虚拟的实现，如果采用分时复用的方法，即对某一物理设备进行分时使用，设N是某物理设备所对应的虚拟的逻辑设备数，则每台虚拟设备的平均速度必然等于或低于物理设备速度的1/N，采用空分复用技术实现虚拟，此时一台虚拟设备平均占用的空间必然也等于或低于物理设备所拥有的空间。

4.4 异步

  进程是以人们不可预知的速度向前推进的，此即进程的异步性。

五、操作系统的主要功能

  前文说过，操作系统的主要作用就是：为多道程序的运行提供良好的运行环境，以保证多道程序能有条不紊地、高效的运行，并能最大程度地提高系统中各种资源的利用率，方便用户的使用。

所以它的主要功能有：

5.1 处理机管理功能

  在传统的多道程序系统中，处理机的分配和运行都是以进程为基本单位的，因而对处理机的管理可归为对进程的管理。

  处理机管理的主要功能有：创建和撤销进程，对诸进程的运行进行协调，实现进程之间的信息交换，按照一定的算法把处理机分配给进程。

• 1.进程控制

  进程控制的主要功能就是为作业创建进程、撤销（终止）已结束的进程，以及控制进程在运行过程中的状态转换。

• 2.进程同步

  为使多个进程有条不紊地运行，系统中必须设置响应的进程同步机制。主要为多个进程的运行进行协调。常用的协调有：① 进程互斥方式、② 进程同步方式

• 3.进程通信

  进程通信的任务就是实现相互合作进程之间的信息交换。

• 4.调度

  在传统的OS中，调度包括作业调度和进程调度两步。

5.2 存储器管理功能

  存储器的主要任务，是为多道程序的运行提供良好的环境，提高存储器的利用率，方便用户使用，并能从逻辑上扩充内存。为此存储器管理应具有内存分配和回收、内存保护，地址映射和内存扩充等功能。

• 1.内存分配

主要任务：

1）为每道程序分配内存空间，使它们“各得其所”。
2）提高存储器的利用率，尽量减少不可用的内存空间（碎片）。
3）允许正在运行的程序申请附加的内存空间，以适应程序和数据动态增长的需要。

  OS实现内存分配时，可采用静态和动态两种方式。静态指的是不允许当前作业再重新申请内存空间，也不允许作业在内存中“移动”。

• 内存保护
  主要任务：

1）确保每道用户程序都只在自己的内存空间内运行，彼此互不干扰。

2）绝不允许用户程序访问操作系统的程序和数据。

• 3.地址映射

• 4.内存扩充

  系统必须设置内容扩充机制，用于实现：

  ① 请求调入功能，系统允许在仅装入部分用户程序和数据的情况下，便能启动该程序运行。

  ② 置换功能，若发现呢村中已无足够空间来装入选用调入的程序和数据时，系统能将内存的一部分暂时不用的程序和数据调至硬盘上，以腾出空间，然后再将所调入的部分装入内存。

5.3 设备管理功能

主要任务：

1）完成用户提出的I/O请求，为用户进程分配所需的I/O设备，并完成指定的I/O操作。

2）提高CPU和I/O设备的利用率，提高I/O速度，方便用户使用I/O设备。

  实现上述任务，设备管理应具有：缓冲管理、设备分配和设备处理以及虚拟设备等功能。

1.缓冲管理

  如果在I/O设置和CPU之间引入缓存，则可有效地缓和CPU何I/O设备速度不匹配的矛盾，提高CPU的利用率，进而提高系统吞吐量。

  最常见的缓冲机制有：单缓冲机制、双缓冲机制、公共缓冲机制。

2.设备分配

  基本任务：根据用户进程的I/O请求】系统现有资源情况以及按照某种设备分配策略，为之分配其所需设备。

3.设备处理

  基本任务：实现CPI和设备控制器之间的通信。

5.4 文件管理功能

主要任务：对用户和系统文件进行管理一方便用户使用，并保证文件的安全性。

具有的功能：

• ①文件空间的管理

• ②目录管理

• ③文件的读/写管理和保护

5.5 操作系统与用户之间的接口

• 1.用户接口
  为方便用户直接或间接控制自己的作业，OS提供了命令接口。
  可分为：联机用户接口、脱机用户接口、图形用户接口

• 2.程序接口
  程序接口是为用户程序执行中访问系统资源而设置的，是用户程序取得操作系统服务的唯一途径。

5.6 现代操作系统的新功能

1.系统安全

包括：

1）认证技术

2）密码技术

3）访问控制技术

4）反病毒技术

2.网络的功能和服务

1）网络通信

2）资源管理

3）应用户操作

3.支持多媒体

六、操作系统的结构设计

6.1 传统的操作系统结构

  早期的无结构操作系统—>模块化结构—>分层式结构OS

  分层式结构的优点：以保证系统的正确性，以及易扩充性和易维护性

6.2 客户/服务器模式

组成：客户机、服务器、网络系统

客户/服务器之间的交互

• 1.客户发送请求信息

• 2.服务器接收请求信息

• 3.服务器回送消息

• 4.客户机接收消息

客户/服务器模式的优点：

• 1.数据的分布处理和存储

• 2.便于集中管理

• 3.灵活性和扩充性

• 4.易于改编应用软件

6.3 微内核OS结构

  微内核（MicroKernel）操作系统结构是20世纪80年代发展起来的。

  为了提高操作系统的正确性、灵活性、易维护性、可扩充性，在进行现代操作系统结构设计时，即使在单计算机环境下，大多也采用基于客户/服务器模式的微内核结构，将操作系统划分为两大部分：微内核和多个服务器。

  关于微内核尚无一致公认的定义，但我们可以从四个方面对其进行描述：

• 1）足够小的内核

• 2）基于客户/服务器模式

• 3）应用“机制与策略分离”原理

• 4）采用面向对象技术

微内核的基本功能：

• 1）进程（线程）管理

• 2）低级存储器管理

• 3）中断和陷入处理

微内核操作系统的优点：

• 1）提高了系统的可扩展性

• 2）增强了系统的可靠性

• 3）可移植性

• 4）提供了对分布式系统的支持

• 5）融入了面向对象技术

微内核操作系统存在的问题：

  较早期的操作系统，微内核OS的运行效率有所较低，因为在完成一次客户对操作系统提出的服务请求时，需要利用消息实现多次交互和进行用户/内核模式与上下文的多次切换，

总结

期待大家和我交流，留言或者私信，一起学习，一起进步！