01-操作系统简述

1 操作系统的目标和作用

1.1 操作系统的目标

• 有效性：提高系统资源利用率，提高系统吞吐量
• 方便性：避免用户书写机器语言
• 可扩充性：能方便地增添新的功能和模块
• 开放性：按照某些标准开发，以便软硬件的兼容等等

1.2 操作系统的作用

1. OS 作为用户与计算机硬件系统之间的接口

   • 命令方式
   • 系统调用方式
   • 图标–窗口方式

2. OS 作为计算机系统资源的管理者

   • 处理机管理

     • 处理器上可执行的指令分为
       • 特权指令
       • 非特权指令
     • 处理器状态划分为
       • 管态（管理态）
       • 目态（用户态）

     处理器状态保证了特权指令的正确使用，把 OS 与用户程序区别开来

   • 存储器管理

   • I/O 设备管理

   • 文件管理

3. OS 实现了对计算机资源的抽象

   • 裸机：完全无软件的计算机系统，向用户提供的是实际硬件接口，利用机器指令进行编程
   • 扩充机器/虚机器：覆盖了设备管理软件，向用户(进程)提供了一个对硬件操作的抽象模型

1.3 推动操作系统发展的主要动力

• 不断提高计算机资源利用率
• 方便用户
• 器件的不断更新换代
• 计算机体系结构的不断发展
• 不断提出新的应用要求

2 操作系统的发展过程

2.1 无操作系统的计算机系统

真空管

1. 人工操作方式
   • 人工装填纸带，CPU 大多数时间在等待，浪费了大量的资源
2. 脱机输入/输出方式
   • 在手工与 CPU 之间加上了一个磁带，以优化 I/O 与 CPU 速度不匹配的问题

2.2 单道批处理系统

晶体管，单道批处理系统是 OS 的前身

1. 单道批处理系统的处理过程
   • 用监督程序来解放装填纸带人员的双手，并进一步解决了 I/O 与 CPU 之间速度不匹配的问题
2. 单道批处理系统的特征
   • 自动性
   • 顺序性
   • 单道性：内存中仅有一道程序运行

2.3 多道批处理系统

小规模集成电路

1. 多道程序设计的基本概念
   • 用户提交的作业形成队列，按一定算法将若干作业调入内存
2. 多道程序设计的优点
   • 资源利用率高
   • 系统吞吐量大
3. 多道程序设计的缺点
   • 平均周转时间长
   • 无交互能力
4. 多道批处理系统需要解决的问题
   • 处理机管理问题
   • 内存管理问题
   • I/O 设备管理问题
   • 文件管理问题
   • 作业管理问题

2.4 分时系统

分时系统是指，在一台主机上连接了多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过自己的终端，以交互方式使用计算机，共享主机中的资源。

1. 分时系统产生的动力
   • 人机交互：人们亟需可以实现人机交互的处理机以便调试运行程序
   • 共享主机
   • 便于用户上机
2. 分时系统实现中的关键问题
   • 及时接收：及时接收各个用户终端的输入
     • 系统配置多路卡
     • 终端输入缓冲区
   • 及时处理：及时处理用户键入的命令
     • 作业应直接进入内存
     • 将 CPU 的时间分片，每个作业每次只能运行一个时间片
3. 分时系统的特征
   • 多路性：允许在一台主机上同时联接多台联机终端，系统按分时原则为每个用户服务。
   • 独立性：每个人都好像独占资源
   • 及时性：用户的请求能在很短的时间内获得响应
   • 交互性：用户可通过终端与系统进行广泛的人机对话

2.5 实时系统

所谓“实时”，是表示“及时”，而实时系统（Real Time System）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。

1. 应用需求
   • 实时控制：实时采集现场数据，并对所采集的数据进行及时处理
   • 实时信息处理：例如订票系统
2. 实时任务
   • 按任务执行时是否呈现周期性来划分
     • 周期性实时任务：外部设备周期性地发出激励信号给计算机
     • 非周期性实时任务：激励信号并无明显的周期性，但都有一个截止时间
   • 根据对截止时间的要求来划分
     • 硬实时任务
     • 软实时任务
3. 实时系统与分时系统特征的比较
   • 多路性：实时控制系统周期性地对多路现场采集控制。分时系统中的多路性则与用户情况有关，时多时少。
   • 独立性：都是彼此独立地操作，互不干扰
   • 交互性：实时信息处理系统弱于分时系统
   • 及时性：实时性都是以人所能接受的等待时间来确定的。而实时控制系统的及时性，是以控制对象所要求的截止时间来确定的
   • 可靠性：实时信息处理系统更具可靠性

2.6 微机操作系统的发展

1. 单用户单任务操作系统
   • CP/M： 8 位
   • MS-DOS：16 位
2. 单用户多任务操作系统
   • 各种 Windows
3. 多用户多任务操作系统
   • UNIX
     • Solaris
     • Linux

2.7 其它操作系统

• 网络操作系统：Windows NT
• 分布式操作系统：可独立也可协同，对用户来说相当于一个操作系统
• 嵌入式操作系统

3 操作系统的基本特性

3.1 并发性

1. 并行与并发
   • 并行性
     • 宏观并行，微观并行。
     • 是指两个或多个事件在同一“时刻”发生。
     • 需要硬件支持，如多流水线、多核处理器或者分布式计算系统。
   • 并发性（Concurrence）
     • 宏观并行，微观串行。
     • 是指两个或多个事件在同一“时间间隔”内发生
     • 利用时分技术，引入进程和线程
2. 引入进程（Process）
   • 为了实现并发，引入了进程的概念
   • 进程是系统中资源分配的基本单位，能独立运行。它是由一组机器指令，数据和堆栈等组成的，是一个能独立运行的活动实体。多个进程之间可以并发执行和交换信息。
3. 引入线程（Threads）
   • 为了进一步提高并发程度，在进程内引入了线程
   • 线程作为独立运行和独立调度的基本单位，基本上不拥有系统资源，对其调度的开销就会小很多
4. 协程（coroutine）
   • 协程是线程的线程，发生在用户态上，而不是内核态上
   • 与线程相比, 协程的优点在于
     • 避免了线程创建/切换带来的消耗
     • 不需要多线程的锁机制

3.2 共享性

共享是指系统中的资源可以被多个并发进程共同使用。

1. 互斥共享技术
   • 保证各个进程之间不会混淆
   • 互斥共享的资源称为临界资源，例如打印机等，在同一时刻只允许一个进程访问，需要用同步机制来实现互斥访问。
2. 同时访问方式
   • 各个进程可以“同时”访问同一个设备，比如磁盘

并发和共享是多用户(多任务)OS的两个最基本的特征。它们又是互为存在的条件

3.3 虚拟技术

虚拟技术把一个物理实体转换为多个逻辑实体。

1. 时分复用技术
   • 虚拟处理机技术
   • 虚拟设备技术
2. 空分复用技术
   • 虚拟磁盘技术：磁盘分区
   • 虚拟存储器技术：虚拟内存

3.4 异步性

异步指进程不是一次性执行完毕，而是“走走停停”，以不可知的速度向前推进。

只要在操作系统中配置有完善的进程同步机制，且运行环境相同，作业经多次运行都会获得完全相同的结果。

4 操作系统的主要功能

4.1 处理机管理

对处理机的管理可归结为对进程、线程的管理

1. 进程控制
   • 创建进程、分配资源、撤消进程、控制进程状态转换
   • 为进程创建线程、撤消线程
2. 进程同步
   • 进程互斥方式：锁
   • 进程同步方式：信号量。由同步机构对进程的执行次序加以协调。
3. 进程通信
   • 同一计算机，直接通信，由源进程利用发送命令直接将消息挂到目标进程的消息队列上
4. 调度
   • 作业调度：从后备队列中选出作业，分配资源，建立进程，插入就绪队列
   • 进程调度：从进程（线程）的就绪队列中选出进程，分配处理机，设置运行现场，使进程投入执行

4.2 存储器管理

存储器管理的主要任务是为多道程序的运行提供良好的环境，方便用户使用存储器，提高存储器的利用率以及能从逻辑上扩充内存。

1. 内存分配
   • 静态分配：装入时确定，运行期间不允许申请新空间，也不允许作业在内存中“移动”
   • 动态分配：允许申请新空间，也允许作业在内存中“移动”
2. 内存保护：由硬件实现越界检查，确保每道程序都只在自己的内存区中运行
3. 地址映射：在硬件的支持下，将地址空间中的逻辑地址转换为内存空间中与之对应的物理地址
4. 内存扩充：借助于虚拟存储技术，从逻辑上去扩充内存容量
   • 请求调入：允许只装入部分程序和数据就启动程序，运行时可向 OS 请求从磁盘调入所需内存
   • 置换：内存空间不够时，将内存中暂时用不上的程序、数据调至盘上，腾出空间，调入所需部分

4.3 设备管理

设备管理的主要任务是：完成用户进程提出的 I/O 请求；为用户进程分配其所需的 I/O 设备；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。

1. 缓存管理：设置缓冲区，提高效率
2. 设备分配：设备控制、回收
3. 设备处理：设备处理程序又称为设备驱动程序

4.4 文件管理

1. 文件存储空间的管理
2. 目录管理
3. 文件的读/写管理和保护

4.5 操作系统与用户之间的接口

1. 用户接口
   • 联机用户接口：命令解释
   • 脱机用户接口：批处理用户接口
   • 图形用户接口
2. 程序接口

4.6 现代操作系统的新功能

• 系统安全
• 网络的功能和服务
• 支持多媒体

5 OS 结构设计

5.1 传统的操作系统结构

1. 无结构 OS：早期系统小的时候
2. 模块化结构 OS
   • 基本概念：“分解”和“模块化”
   • 模块的独立性：内聚性，耦合度
   • 优缺点
     • 提高正确性、可理解性和可维护性，增强适应性，加速开发过程
     • 接口设计很难满足实际需求，设计决定“无序性”
3. 分层式结构 OS：有序分层
   • 基本概念：自底向上的分层设计，每一步设计都是建立在可靠的基础上
   • 优缺点
     • 保证系统的正确性，易扩充和易维护性
     • 增加系统的通信开销，系统效率降低了

5.2 客户/服务器模式

1. 客户/服务器模式的组成
   • 客户机
   • 服务器
   • 网络系统
2. 客户/服务器之间的交互
   • 客户发送请求消息
   • 服务器接收消息
   • 服务器回送消息
   • 客户机接收消息
3. 客户/服务器模式的优点
   • 数据的分布处理和存储
   • 便于集中管理
   • 灵活性和可扩充性
   • 易于改编应用软件

基本客户/服务器模式的不足之处是存在着不可靠性和瓶颈问题。如果在网络中配置多个服务器，并采取相应的安全措施，则可加以改善。

5.3 面向对象的程序设计

5.4 微内核 OS 结构

微内核 OS 结构是建立在模块化、层次化结构的基础上的，并采用了客户/服务器模式和面向对象的程序设计技术

1. 微内核操作系统的基本概念
   • 足够小的内核
     • 内核是指精心设计的、能实现现代 OS 最基本的核心功能的部分。微内核并非是一个完整的 OS，而只是操作系统中最基本的部分
     • 只有微内核这一个模块运行在内核态，其余模块运行在用户态。因为需要频繁地在用户态和核心态之间进行切换，所以会有一定的性能损失
   • 基于 C/S 模式
     • 将操作系统中最基本的部分放入内核中，而把操作系统的绝大部分功能都放在微内核外面的一组服务器(进程)中实现。
   • 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
     • 策略：在机制的基础上，借助于某些参数和算法来实现该功能的优化，或达到不同的功能目标
     • 微内核操作系统中，通常将机制放在 OS 的微内核中。
   • 采用面向对象技术
2. 微内核的基本功能（与硬件紧密相关）
   • 进程(线程)管理
   • 低级存储器管理
   • 中断和陷入处理
3. 微内核操作系统的优点
   • 提高了系统的可扩展性
   • 增强了系统的可靠性
   • 可移植性
   • 提供了对分布式系统的支持
   • 融入了面向对象技术
4. 微内核操作系统存在的问题
   • 运行效率有所降低：在完成一次客户对 OS 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/内核模式及上下文的多次切换