【操作系统】第一章--操作系统引论--笔记与理解

笔记理解之后可以进行深入解释→【操作系统】第一章–操作系统引论–深入与解释

【操作系统】第一章–操作系统引论–笔记与理解

操作系统的目标及作用

操作系统的目标

方便性、有效性、可扩充性、开发性

操作系统的作用

1. OS作为用户与计算机硬件之间的接口
2. OS作为计算机系统资源的管理者
3. OS实现了对计算机资源的抽象

操作系统的发展过程

未配置操作系统的计算机系统

1. 人工操作方式、用户独占、CPU等待
2. 脱机输入/输出方式，减少CPU空闲，提高I/O速度

单道批处理系统

1. 
2. 缺点：系统中资源得不到充分的利用

多道批处理系统

1. 基本概念：将所提交作业先存在外存上，排成一个"后备队列",运行程序A时，利用其因I/O而 暂停执行CPU的 空闲时间，调度程序B运行…
2. 优缺点：
   1. 资源利用率高
   2. 系统吞吐量大：资源保持忙碌，系统开销小，作业完成 或运行不下去才切换
   3. 平均周转时间长
   4. 无交互能力
3. 需要解决的问题：
   1. 处理机争用问题：既要满足运用需要，又要提高处理机利用率
   2. 内存分配和保护问题：分配必要内存，不因为异常而破坏其他程序
   3. I/O设备分配问题：既方便用户对设备的使用，又能提高设备利用率
   4. 文件的组织和管理问题：对作业进行合理地组织，以满足作业用户的不同需求
   5. 用户与系统的接口问题：使用户方便使用，OS应提供用户与系统之间的接口

分时系统

1. 基本概念：一个逐渐连接多个终端，多个用户同时通过自己的终端，交互使用、共享资源
2. 分时系统的引入：
   1. 人-机交互：独占全机进行直接控制，方便程序中错误的修改
   2. 共享主机：进行共享时，希望像独占一样，可以进行交互同时不受其他影响
3. 关键问题：
   1. 及时接收：配置多路卡，实现分时多路复用，配置缓冲区暂存命令与数据
   2. 及时处理：作业及时进入内存，采用轮转运行方式
4. 特征：
   1. 多路性：允许多个用户共享一台计算机，提高资源利用率。降低使用费用
   2. 独立性：独立操作、互不干扰
   3. 及时性：用户请求在短时间内获得响应
   4. 交互性：可通过终端与系统进行广泛人机对话，用户可请求系统提供多方面服务

实时系统

1. 基本概念：系统能及时响应外部事件的请求，规定时间完成处理，控制任务一致运行
2. 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
3. 实时任务的类型：

周期性实时任务	非周期性实时任务
外部设备周期性发出激励信号给计算机，要求按指定周期循环执行，以便周期性控制某外部设备	无明显周期性，但截止时间：开始截止：某时间前必须开始执行；完成截止：某时间前必须完成

硬实时任务	软实时任务
系统必须满足对截止时间的要求(工业/武器)	偶尔错过任务的截止时间，对系统不会影响太大

3. 实时系统与分时系统

\	实时系统	分时系统
多 路 性	系统周期性对多路信息采集，对多个对象/执行机构进行控制	系统按分时原则对多个终端用户服务
独 立 性	信息的采集和对对象的控制互不干扰	每个终端用户与系统的交互相互独立、互不干扰
及 时 性	以控制对象要求截止时间	-
交 互 性	仅限访问系统中某些特定的专用服务程序	向终端提供数据处理、资源共享等服务
可 靠 性	高度可靠	系统可靠

微机操作系统的发展：单用户单任务→单用户多任务→多用户多任务

操作系统的基本特征

1. 并发：并发性是指两个或多个活动在统一给定的时间间隔中进行
2. 共享：共享是指计算机系统中的资源被多个任务所公用
3. 虚拟性：虚拟化是操作系统的一种管理技术，这种技术能通过软件把一个物理实体变成逻辑上的多个对应物，或者把多个物理实体变成逻辑上的一个对应物
4. 异步性：一个程序什么时候执行，以及向前推进速度快慢，都是有执行得到现场所决定的

• 并发是核心，其他特征都是由并发演变来的。

操作系统的主要功能

1. 存储器管理：内存分配与释放、地址映射、内存保护和内存扩充
   1. 内存保护：
      1. 仅在自己内存空间运行，互不干扰
      2. 不允许访问OS程序与数据，不允许其转移到非共享的其他用户进程中执行
   2. 地址映射：降低至空间中的逻辑地址转换为内存空间中对应物理地址
   3. 内存扩充：
      1. 请求调入功能
      2. 置换功能
   4. 内存分配：
      1. 分配内存，各得其所
      2. 提高存储器利用率，减少内存空间碎片
      3. 允许正运行程序申请附加内存空间，以适应程序和数据动态增长的需求

静态分配方式	动态分配方式
作业内存空间在装入时确定，装入后不允许再申请新的内存空间，，也不允许作业在内存空间中“移动”	基本内存空间在装入时确定，但允许运行过程中申请新的内存空间，允许在内存中“移动”

2. 处理机(进程)管理：作业和进程调度、进程控制和进程通信
   1. 进程控制：为作业创建进程，终止已结束进程，以及运行时的状态转换
   2. 进程同步：进程互斥方式与进程同步方式，信号量机制
   3. 进程通信：一组进程合作完成共同任务，彼此之间需要交换信息
   4. 调度：
      1. 作业调度：后备队列选出若干作业分配资源，调入内存建立进程插入到就绪队列中
      2. 进程调度：就绪队列选中一个进程，分配处理机，设置运行现象，使其投入执行
3. 设备管理：缓冲区管理、设备分配、设备驱动和设备无关性
   1. 完成I/O请求，分配I/O设备，完成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
   3. 缓冲管理→设备分配→设备处理
4. 文件管理：文件存储空间管理、文件操作的一般管理、目录管理、文件的读写管理和存取控制
   1. 文件存储空间的管理：为每个文件分配必要外存，提高外存利用率
   2. 目录管理：
      1. 提供文件名，可对文件进行存取
      2. 文件共享
      3. 目录查询
   3. 文件的读写管理和保护：
      1. 获得文件所在外存位置，利用文件读写指针
      2. 防止未经核准用户存取文件，防止冒名顶替文件，防止不正确方式使用文件
5. 用户接口：程序接口和命令接口
   1. 用户接口：联机用户接口，脱机用户接口，图形用户接口
   2. 程序借口：是用户程序去的操作系统服务的唯一途径

操作系统结构设计

传统操作系统结构：无结构操作系统

模块化结构

1. 模块独立性：
   1. 内聚性：模块内部各部分间的紧密程度，内聚越高，独立性越强
   2. 耦合度：模块间相互联系与影响的程度，耦合性月底，独立性越好
2. 模块接口的优缺点：
   • 优点：
     1. 提高OS设计的正确性、可理解性和可维护性
     2. 增强OS可适应性
     3. 加速OS的开发过程
   • 缺点：
     1. 没设计时，各模块接口规定很难满足完成后对接口的实际要求
     2. (无序模块法)很难做到每一步在可靠基础上

分层式结构：每一步设计都建立在可靠的基础上

• 理解：
• 优点：
  1. 易保证系统的正确性
  2. 易扩充和易维护性
• 缺点：因层次间的单向依赖性，每层次间都有通信机制，使系统效率降低

客户/服务器模式

1. 交互过程：客户发送请求→服务器接收消息→服务器回送消息→客户机接收消息
2. 组成及类型：客户机 + 服务器 + 网络系统
3. 优缺点：
   • 优点：
     1. 有利于数据的分布处理和存储
     2. 便于集中管理
     3. 灵活性与可扩充性
     4. 易于改编应用软件
   • 缺点：存在不可靠性和瓶颈问题，服务器影响整个网络，影响请求响应时间

微内核结构

1. 基本概念：微内核 + 多个服务器
   1. 足够小的内核：与硬件紧密相关部分 + 较基本功能 + 客户与服务器间通信
   2. 基于客户/服务器模式：
   3. 应用“机制与策略分离”模式
   4. 采用面向对象技术
2. 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
3. 优缺点：
   • 优点：
     1. 提高了系统的可扩展性
     2. 增强了系统的可靠性
     3. 可移植性强
     4. 提供了对分布式系统的支持
     5. 融入面向对象的思想
   • 缺点：至少4次的上下文切换
     1. 客户发送请求消息给内核
     2. 由内核吧和会请求消息发往服务器
     3. 服务器完成请求，将响应消息发送给内核
     4. 内核将响应消息发送给客户

本章练习

1. 哪个是操作系统分层结构设计的特点(D)
   A. 每一层只可以使用底层的功能和服务
   B. 调试和验证容易
   C. 结构变得清晰
   D. 以上都是

2. 具有易维护和易扩展性，采用客户机/服务器模式的通信方式，进程间通信代价大特点的操作系统设计结构是©
   A. 分层结构
   B. 模块结构
   C. 微内核结构

3. Linux操作系统设计时使用的结构是(B)
   A. 分层结构
   B. 模块结构
   C. 微内核结构

4. 引入单道批处理系统之后还要引入多道批处理系统的原因(A)
   A. 为了进一步提高系统资源的利用率和增加系统吞吐量
   B. 为了能让更多的作业放入内存
   C. 为了让用户能与作业进行交互
   D. 为了提高系统的可靠性

5. 由多个计算机组成的一个系统，这些计算机之间可以通信来交换信息，互相之间无主次之分，它们共享系统资源，程序由系统中的全部或部分计算机协同执行，管理上述计算机系统的操作系统是©
   A. 分时OS
   B. 实时OS
   C. 分布式OS
   D. 网络OS

6. 多个用户在终端设备上的交互方式输入、排错和控制其程序的运行是(A)
   A. 分时OS
   B. 实时OS
   C. 分布式OS
   D. 网络OS

7. 把一个程序划分成若干个宏观同时执行的程序模块的设计方法是(D)
   A. 分时OS
   B. 实时OS
   C. 多道程序设计
   D. 并发程序设计

8. 为了提高计算机的处理机和外部设备的利用率，把多个程序同时放入主存，在宏观上并发运行是©
   A. 分时OS
   B. 实时OS
   C. 多道程序设计
   D. 并发程序设计

9. 在设计批处理系统时，首先要考虑的是©
   A. 灵活性和可适应性
   B. 交互性和响应时间
   C. 周转时间和系统吞吐量
   D. 实时性和可靠性

10. 在设计实时操作系统时，首先要考虑的是(D)
    A. 灵活性和可适应性
    B. 交互性和响应时间
    C. 周转时间和系统吞吐量
    D. 实时性和可靠性

11. 在设计分时操作系统时，首先要考虑的是(B)
    A. 灵活性和可适应性
    B. 交互性和响应时间
    C. 周转时间和系统吞吐量
    D. 实时性和可靠性