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第一章 概述
1.1 目标与功能
1.1.1
操作系统：
- 控制应用程序的程序
- 应用程序和硬件间的接口
三大目标：
- 方便：用户使用
- 有效：使用系统资源
- 扩展：开发、测试、引入新的系统功能
计算机中硬件以上的第一层软件，是应用软件、系统软件的基础。
服务：
1. 程序开发：提供编辑器、调试器等应用程序开发工具
2. 程序运行：程序的加载、空间分配等工作
3. I/O访问：隐藏I/O细节，统一I/O接口
4. 文件访问：隐藏物理介质细节，保护访问
5. 系统访问：控制对共享系统的访问，避免资源冲突
6. 错误检测和响应：检测、响应错误并清除错误条件
7. 记账：记录资源利用率和性能
以上七条是面向操作系统第一个目标：方便
1.1.2 OS作为资源管理器
一台计算机是一组资源，这组资源由OS管理
OS与普通软件功能相同，都是处理器执行的一段程序或一组程序
OS常释放控制（完成调度），这时CPU停止运行OS程序，转去执行更有用的工作（单核），之后OS再恢复控制
作为资源管理器
- 分配、管理内存（分页、分段）
- I/O访问（互斥等）
- 对文件资源的访问控制和使用
- 对处理器的分配
OS一部分在内存：内核程序
另一部分在外存：控制I/O访问
1.1.3易扩展性
适应硬件升级（如分页需硬件支持），修复错误，新服务等
故而采用模块化设计：便于添加和修改模块功能
1.2 OS 历史
1.2.1串行处理（处理机制）
此时尚无操作系统，用户按顺序访问计算机。
问题：硬拷贝（用本子记）预定机器时间造成浪费；程序运行前的编译、加载、链接也花费大量时间。
1.2.2简单批处理
第一个操作系统是批处理系统，诞生于20世纪50年代中期
监控程序（早期操作系统）：一次处理一批程序（歌单，一次播放一组歌，但一个一个播放）
程序完成处理后返回监控程序，监控程序自动加载下一个程序
监控程序功能：
- 作业的自动续接
- 内存保护：保护监控程序所在的内存区域
- 定时器：防止某作业独占系统
- 特权指令：只可由监控系统执行的指令
- 中断
正是内存保护和特权指令的出现引入了运行模式，不同模式的访问权限不同
简单批处理的缺点：处理器常处于空闲状态，因为I/O对于处理器而言速度太慢
1.2.3多道批处理
当一个作业等待I/O时，可以先执行另一个作业
由于待运行作业需要保存在内存中，所以需要内存管理
多道程序设计可以现主提高系统设备利用率：
- 内存中存放多个作业
- 多个作业可并发执行
- 作业调度程序
硬件支持：支持I/O中断和DMA的硬件
多道批处理特点：多道性、调度性、无序性、无交互能力
并发与并行：并发是在一段时间内有多个程序同时进行，但可能仍然是一个运行完另一个运行，若多核情况下同时运行成为并行，并发包括并行
1.2.4 分时系统（分享处理器时间）
为实现人机交互，由多终端共享主机
分时系统：
- 采用多道程序设计
- 多个用户共享处理器
- 多个用户通过不同终端同时访问系统，由OS控制每个用户在很短的时间内交替执行（快于人的反应时间）
分时系统特点：多路性，独立性，及时性，交互性
| 系统 | 多道批处理 | 分时系统 |
|---|---|---|
| 目标 | 充分利用cpu | 人机交互 |
| 指令源 | 作业 | 用户 |
第一个分时系统：CTSS
一句话做题：
- 写入的比已有的占空间大：已有的写出
- 写入的小,腾出空间给写入的，但一部分仍留存在其中
时间片技术：系统时钟固定产生中断，中断处OS恢复控制权，将处理器分配给一个新用户，而当前用户被抢占
实时系统
系统能及时响应外部请求，在规定时间内开始或完成对某事件的处理，并控制所有实时任务协调运行
实时系统应用：航空军事、工业控制
实时系统特点：可确定性，可响应性，用户控制，可靠性，故障弱化能力
1.3 OS主要成就（四个重要理论进展）
1.3.1 进程
剧本是程序的话，演出就是进程
进程
- 一个正在运行的程序
- 计算机中正在运行的程序的一个实例
- 可分配给处理器并由处理器执行的一个实体
- 由一个单一顺序线程、一个当前状态和一组相关资源所表征的活动单元
进程三大组成部分：
- 一段可执行程序
- 程序所需要的相关数据
- 程序的执行上下文（进程状态）
进程上下文包括：进程状态和OS用于管理和控制进程所需的数据
1.3.2 内存管理
文件是一个有名称的对象，是基本单元
文件系统：用于长期文件存储
虚拟存储：以逻辑方式访问存储器
- 换入与换出：作业部分驻留内存，缺页时安排换入换出
分页：进程分为大小相同的块——页
- 虚地址：由页号、页内偏移量组成，用于映射一个物理地址
1.3.3 信息保护和安全
四类典型安全问题
1.3.4 调度和资源管理
调度策略：公平、有效、有差别（区分进程长短）
1.4现代OS特征（重点）
-
微内核
- 给内核分配一些基本功能：地址空间、通信、基本调度
- 基于C/S架构，可定制服务程序，称为“服务器”
- 系统结构更灵活
- 优点：简化了实现，提供了灵活性，适合于分布式环境
-
单体内核
- 大内核作为一个进程实现，共享地址空间
- OS提供的功能大都由此内核提供
-
多线程
- 把执行一个应用程序的进程划分为可同时进行的多个线程（线程为工作单元）
- 进程：一个或多个线程和相关资源的集合
- 调度单元：线程
- 资源单元：数据
-
对称多处理（SMP，多个处理器）
- 多个线程和进程可以并行运行
- 具有多个处理器，对用户透明，OS负责多个进程的同步
- 优于多道程序设计：可用多个cpu运行同一个进程/一次可执行多个不同进程，即可同时执行多个不同进程
- 可通过减少cpu降低性能，也可反过来提升性能
- 优点：
- 可用性：单个处理器失效不会导致机器停止
- 渐增性：性能随添加cpu逐渐增高
- 扩展性：厂商依据性能定价
- 与多线程的不同：多线程在单处理器计算机仍然有用，而SMP对非 线程化的进程同样有效，这两个方式形成互补
-
分布式OS
- 给用户错觉：用户只有自己一个（其实是多个） - 分布式尚落后于单核和SMP -
面向对象技术
- OS基于对象的结构有利于程序员定制 - 可给内核增加模块化的拓展而不破坏完整性 - 让分布式更容易实现（基于对象，引用更方便）
1.5 容错性 （容错率）
系统或部件发生错误时仍可继续运行的能力
提高容错性的方法：
- 进程隔离
- 并发控制（进程通信、协作）
- 虚拟机（应用隔离）
- 检测点和回滚机制
1.6 多处理器和多核OS设计考虑因素
多道程序设计+SMP
关键：线程和进程并发、调度、同步、内存管理、可靠性、容错性
并行能力的三个层次：
1. 指令级并行
2. 程序并行
3. 应用程序并行
虚拟机
为一个进程分配一个或多个核，让这些cpu专门为该进程服务